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Un nouvel appareil pour mesurer l'eau contaminée par le fluorure

Le prototype utilise du SION-105 pour détecter les anions fluorures dans l’eau potable. Crédit: Marie-Thé et Etienne Roux

Le prototype utilise du SION-105 pour détecter les anions fluorures dans l’eau potable. Crédit: Marie-Thé et Etienne Roux

Des ingénieurs de l’EPFL se sont intéressés au problème de la contamination de l’eau potable par le fluorure. Ils ont développé un appareil portatif facile à utiliser, capable de mesurer avec précision et fiabilité la concentration de ce composé.

L’ajout du fluorure à l’eau est devenue une pratique courante dans un certain nombre de pays, dont les États-Unis, l’Australie, le Brésil, la Malaisie, l’Inde et le Vietnam. Une faible concentration (inférieure à 1,5 mg/l) peut contribuer à prévenir les caries dentaires et même à renforcer les os. Mais au-delà, elle peut produire l’effet contraire, à savoir de graves maladies des dents et des os, particulièrement chez les enfants et les fœtus.

Pour garder la situation sous contrôle, l’OMS a fixé la limite maximale du fluorure dans l’eau potable à 1,5 mg/l. «Afin de déterminer si l’eau potable est sans danger, nous devons détecter son niveau de fluorure en parties par million (ppm), explique Kyriakos Stylianou du Laboratoire de simulation moléculaire à l’EPFL Valais Wallis. Il est bénéfique pour les dents lorsqu’il s’élève à 1 ou 1,5 ppm. Dans de nombreux pays, toutefois, les sources d’eau présentent des concentrations supérieures à 2 ppm, ce qui peut engendrer de graves problèmes pour la santé.»

Mesurer des concentrations de fluorure aussi faibles avec une précision suffisante est coûteux et nécessite un laboratoire de chimie bien équipé. C’est la raison pour laquelle la contamination de l’eau par le fluorure touche aujourd’hui de nombreux pays en développement et même certains pays développés.

Une équipe de scientifiques dirigée par Kyriakos Stylianou a élaboré un appareil capable de mesurer précisément les concentrations de fluorure. Il suffit de quelques gouttes d’eau – même faiblement polluées – pour modifier la luminosité de la couleur. L’appareil a fait l’objet d’une publication dans le Journal of the American Chemical Society (JACS). Baptisé SION-105, il est portatif, sensiblement meilleur marché que les méthodes actuelles et utilisable sur place par chacun ou presque.

Schéma du prototype SION-105: un flacon qui contient une suspension rouge luminescente de cristaux de SION-105 est placé dans l’appareil. Deux gouttes de l’échantillon d’eau sont ajoutées au flacon. La photodiode mesure alors les changements de luminosité du SION-105 qui en découlent et les convertit instantanément en données quantitatives précises qui expriment la concentration en fluorure de l’échantillon. L’encadré illustre schématiquement comment la luminescence est éteinte au niveau moléculaire. Crédit: Mish Ebrahim

La clé de l’appareil réside dans un nouveau matériau créé par les scientifiques, qui a du reste donné son nom au dispositif. Ce matériau appartient à la famille des réseaux organométalliques (MOF pour metal-organic framework), composés d’ions métalliques (ou de groupes de ions métalliques) qui sont reliés entre eux par des liens organiques et forment des structures à une, deux ou trois dimensions. Grâce à leur structure polyvalente, les MOF comptent un nombre croissant d’applications possibles, comme la séparation des produits pétrochimiques, la purification de l’eau, ainsi que l’extraction d’hydrogène ou même d’or à partir de l’eau.

SION-105 est luminescent par défaut, mais s’assombrit en présence de ions fluorures. «Il suffit d’ajouter quelques gouttes d’eau et d’observer le changement de couleur du MOF pour savoir si l’eau est potable ou non, explique Mish Ebrahim, l’auteur principal de l’article. Cette opération est réalisable sur place, sans connaissances en chimie.»

Photographie du SION-105 en suspension dans des solvants contaminés ou non par des ions fluorures. Crédit: Mish Ebrahim

Les chercheurs ont utilisé l’appareil pour déterminer la teneur de fluorure dans différents échantillons prélevés dans des nappes phréatiques au Vietnam, aux Émirats arabes unis et en Arabie saoudite. Les résultats obtenus correspondent parfaitement aux mesures effectuées par chromatographie ionique, une méthode classique servant à déterminer la concentration de fluorure dans l’eau. 

«La comparaison des résultats obtenus avec les deux méthodes souligne la performance et la fiabilité de SION-105, qui – grâce à sa facilité de transport et d’utilisation – est une solution très simple pour prélever des échantillons d’eau dans des régions reculées où il est primordial de surveiller fréquemment la concentration en fluorure», explique Kyriakos Stylianou.

Comme SION-105 et l’appareil ont fait leurs preuves, L’EPFL a déposé une demande de brevet. L’appareil a été développé par des scientifiques du Laboratoire de simulation moléculaire, du Laboratoire de chimie organométallique et médicinale et des Ateliers d’Électronique à l’EPFL Valais Wallis.

Autres contributeurs

Université de Chypre

Financement

Fonds national suisse de la recherche scientifique (subside Ambizione Energy et PRN MARVEL)

Références

Fatmah Mish Ebrahim, Tu N. Nguyen, Serhii Shyshkanov, Andrzej Gładysiak, Patrick Favre, Anna Zacharia, Grigorios Itskos, Paul J. Dyson, Kyriakos C. Stylianou. a selective, fast-response and regenerable metal–organic frame-work for sampling excess fluoride levels in drinking water. Journal of the American Chemical Society 11 February 2019. DOI: 10.1021/jacs.8b11907


Source: Mediacom

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Illustration du mécanisme de détection sélectif du SION-105. Crédit: Ella Maru Studio
Illustration du mécanisme de détection sélectif du SION-105. Crédit: Ella Maru Studio

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