Ferrous-Assisted Corona Plasma Decolorization of Acid Black 194 and Auramine O in a Continuous-Flow Recirculation System
Cette étude démontre qu'un système de plasma corona à pression atmosphérique assisté par des espèces ferreuses dans une configuration de recirculation à flux continu permet d'atteindre efficacement plus de 97 % de décoloration du colorant azoïque Acid Black 194 et du colorant triarylméthane Auramine O en 90 minutes, avec des consommations d'énergie spécifiques d'environ 40–42 kWh m⁻³.
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L'eau ayant servi à la teinture des tissus est l'un des types de pollution les plus tenaces. Les colorants synthétiques utilisés dans le textile sont conçus pour être chimiquement résistants afin de ne pas déteindre sur les vêtements, mais cette même durabilité les rend résistants à la décomposition dans les rivières ou les stations de traitement. Lorsque ces colorants pénètrent dans l'environnement, ils bloquent la lumière du soleil atteignant les plantes aquatiques et peuvent nuire à la vie aquatique. Les méthodes traditionnelles pour nettoyer cette eau, telles que la filtration ou l'utilisation de bactéries, peinent souvent face à ces molécules tenaces ou créent de grandes quantités de boues qui doivent être éliminées. Les scientifiques se sont tournés vers des processus d'oxydation avancés, qui utilisent de puissantes réactions chimiques pour décomposer ces molécules, mais trouver une méthode qui soit à la fois efficace et économe en énergie reste un défi. Une approche prometteuse consiste à utiliser un type de décharge électrique appelé plasma, qui crée un nuage de particules hautement réactives capables d'attaquer et de démanteler des structures chimiques complexes.
Dans une étude récente, des chercheurs d'universités mexicaines ont exploré un moyen de rendre ce traitement par plasma encore plus efficace en ajoutant un simple auxiliaire chimique. Ils se sont concentrés sur deux types de colorants textiles très différents : le Noir Acide 194, qui contient une liaison chimique spécifique connue sous le nom de groupe azo, et l'Auramine O, qui possède une structure différente basée sur trois cycles aromatiques. L'équipe a mis en place un système où cinq litres d'eau contenant ces colorants étaient pompés en continu à travers un réacteur. À l'intérieur de ce réacteur, trois pointes de tungstène acérées faisaient face à une plaque en acier inoxydable, créant une décharge corona — une lueur électrique constante et silencieuse dans l'air juste au-dessus de la surface du liquide. Cette décharge génère des espèces réactives d'oxygène et d'azote, qui sont des molécules instables qui cherchent à briser les composés organiques. Pour stimuler ce processus, les chercheurs ont ajouté une petite quantité de fer dissous dans une solution acide avant de commencer le traitement. Le fer agit comme un catalyseur, aidant à convertir les espèces réactives générées par le plasma en agents encore plus puissants capables d'attaquer les molécules de colorant de manière plus agressive.
L'expérience a duré quatre-vingt-dix minutes, avec l'eau circulant de l'aller-retour à travers la zone de traitement. Les chercheurs ont surveillé la couleur de l'eau à l'aide d'un capteur de lumière qui mesurait la quantité de lumière absorbée par la solution à des longueurs d'onde spécifiques. Ils ont constaté que l'ajout de la solution de fer provoquait une chute immédiante et légère de la couleur, probablement due à une interaction chimique rapide entre le fer et le colorant. Cependant, la véritable transformation s'est produite une fois le plasma activé. Au cours du traitement, la couleur profonde des deux colorants s'est considérablement estompée. À la fin des quatre-vingt-dix minutes, la solution contenant le Noir Acide 194 avait perdu 98,66 % de sa couleur, tandis que la solution d'Auramine O en avait perdu 97,74 %. L'eau est devenue presque claire, un changement visible à l'œil nu alors que les liquides sombres devenaient une solution transparente.
La vitesse de ce processus de nettoyage a également été mesurée. Les chercheurs ont calculé qu'il fallait environ quatorze minutes pour que le Noir Acide 194 perde la moitié de sa couleur, et environ seize minutes pour que l'Auramine O atteigne ce même point. Cela suggère que, bien que les deux colorants aient des structures chimiques différentes, le système plasma assisté par le fer a pu dégrader les deux avec une efficacité similaire. Le système électrique est resté stable tout au long de l'expérience, fonctionnant à une puissance moyenne d'environ 139 watts pour le colorant noir et 134 watts pour le colorant jaune. L'énergie nécessaire pour traiter un mètre cube de cette eau a été calculée à environ 41 kilowattheures pour le colorant noir et 40 kilowattheures pour le jaune. Ces chiffres indiquent que le système est capable d'accomplir la tâche sans consommer une quantité excessive d'électricité, ce qui est un facteur critique pour toute technologie destinée à un usage réel.
À mesure que les colorants se décomposaient, d'autres changements se produisaient dans l'eau. L'acidité de la solution a légèrement augmenté, passant d'un niveau neutre à un état plus acide, ce qui est un signe courant de la formation de nouveaux sous-produits chimiques. L'eau est également devenue temporairement trouble lors de l'ajout initial du fer, mais cette turbidité s'est nettement dissipée à mesure que le traitement progressait, chutant de plus de 90 % à la fin. Cela suggère que les particules causant la turbidité ont été soit décomposées, soit décantées dans l'eau. En observant la lumière émise par la décharge électrique, les chercheurs ont confirmé que le plasma générait les particules réactives attendues, notamment des radicaux hydroxyles et des molécules d'azote excitées, qui sont les agents responsables de la décomposition chimique.
L'étude conclut que la combinaison d'une décharge plasma corona avec une petite quantité de fer est un moyen très efficace d'éliminer la couleur des eaux usées textiles. La méthode a bien fonctionné pour deux types de colorants très différents, atteignant une décoloration quasi totale dans un système à flux continu. Cependant, les chercheurs notent que si la couleur a disparu, l'eau n'a pas nécessairement été complètement purifiée de toute matière organique. La décomposition des molécules de colorant crée des fragments plus petits, et l'étude n'a pas mesuré si ces fragments sont toxiques ou quelle proportion du carbone organique initial a été pleinement convertie en substances inoffensives comme le dioxyde de carbone et l'eau. Ce travail constitue une étape puissante vers un traitement de l'eau plus propre, montrant que la technologie du plasma peut être ajustée pour traiter des polluants industriels difficiles, mais il souligne également que des étapes supplémentaires sont nécessaires pour garantir que l'eau traitée est sûre pour l'environnement.
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