En Afrique du Sud, les fabricants de jus d'ananas et d'autres produits à base d'ananas jettent chaque année des milliers de tonnes de feuilles d'ananas, dont la plupart finissent dans des décharges. Les feuilles sont considérées comme des déchets agricoles et sont généralement considérées comme inutiles. Cependant, elles peuvent être transformées en quelque chose qui résout des problèmes concrets. Les feuilles d'ananas peuvent être transformées en une ressource puissante pour la protection de l'environnement et la sécurité.
Il s'agit de les transformer en un type particulier de nanoparticules. (Les nanoparticules sont des matériaux très petits, dont la taille ne dépasse pas 0,0001 millimètre.)
Je fais partie d'une équipe de chimistes spécialisés dans les nanomatériaux qui se concentrent sur la fabrication de nouveaux matériaux à partir de déchets tels que les feuilles d'ananas. Nous avons cherché à savoir si nous pouvions transformer les feuilles d'ananas en une poudre de nanoparticules capable d'adsorber (retenir une substance à la surface d'un matériau, formant un film mince) le cuivre, ou Cu²⁺, présent dans les eaux usées. Nous avons découvert que c'était possible. Une fois que les nanoparticules à base de feuilles d'ananas absorbent le cuivre, elles peuvent être broyées en une poudre que les enquêteurs médico-légaux utilisent pour relever des empreintes digitales invisibles.
Nos recherches ont comblé un vide. C'est la première fois qu'un adsorbant dérivé de déchets agricoles transformé en nanoparticules est utilisé pour absorber les métaux lourds présents dans l'eau, puis réutilisé ensuite en science médico-légale, à faible coût.
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Un avantage supplémentaire est que les feuilles d'ananas ne coûtent rien. Si certaines sont transformées en couches jetables, et que d'autres sont laissées dans les champs d'ananas pour servir de compost, la plupart sont jetées dans des décharges ou même brûlées sur place. Transformer ces déchets en produit utile va dans le sens de l'idée d'une économie circulaire : continuer à utiliser les produits en les réutilisant et en les régénérant autant que possible.
Les produits destinés à dépolluer l'environnement et ceux utilisés en médecine légale ont traditionnellement fait l'objet de recherches distinctes. Il est important de développer un produit qui puisse remplir ces deux fonctions à moindre coût. Il est essentiel de trouver des moyens efficaces et durables d'éliminer les métaux lourds toxiques des sources d'eau afin de protéger la santé humaine et les écosystèmes.. Il est aussi crucial de trouver des moyens améliorés de révéler les empreintes digitales invisibles pour lutter contre la criminalité.
Pourquoi la société a besoin du pouvoir des feuilles d'ananas
Les eaux usées contiennent des ions cuivre toxiques qui s'y déversent depuis des industries telles que l'exploitation minière, la galvanoplastie et la fabrication.
La pollution par le cuivre est un problème bien connu en Afrique du Sud. Les boues contiennent souvent des quantités très élevées de cuivre, et les eaux usées industrielles peuvent également contenir du cuivre à des concentrations supérieures au seuil de sécurité. Une trop grande quantité de cuivre peut nuire à la santé humaine, provoquant des problèmes d'estomac et, à long terme, des lésions du foie et des reins. Elle est également dangereuse pour la vie aquatique : les poissons et d'autres espèces peuvent être empoisonnés par le cuivre.
La plupart des adsorbants sont coûteux lorsqu'ils sont utilisés pour nettoyer les eaux usées contaminées par des métaux lourds tels que le cuivre. Un autre coût caché est que cette eau contaminée ne peut pas être réutilisée dans l'industrie ou l'agriculture tant que le cuivre n'a pas été éliminé.
La société est également touchée. La pollution des sources d'eau sape la confiance du public en matière de sécurité de l'eau, peut déclencher des crises sanitaires au sein des communautés et épuiser les maigres fonds publics destinés au nettoyage. Un adsorbant bon marché est donc très utile.
La police et les autres enquêteurs médico-légaux ont également besoin du pouvoir des ananas. Ils utilisent actuellement une poudre d'empreintes digitales qui contient des produits chimiques présentant des risques potentiels pour la santé des personnes qui la manipulent. Un matériau dérivé des feuilles d'ananas offre une alternative plus sûre, plus durable et plus écologique. La nouveauté ici réside dans la fabrication d'une poudre bon marché à partir de déchets de biomasse.
Comment nous avons fait cette découverte
Nous avons d'abord recouvert de zinc des nanoparticules de carbone fabriquées à partir de feuilles d'ananas. Nous avons ensuite vérifié dans quelle mesure ces nanoparticules pouvaient éliminer le cuivre de l'eau.
Nos recherches ont montré que les nanoparticules à base de feuilles d'ananas recouvertes d'oxyde métallique (dans ce cas, de l'oxyde de zinc) forment un matériau qui absorbe le cuivre en grande quantité.
Si les nanoparticules issues des feuilles d'ananas sont si efficaces, c'est grâce à la synergie entre leurs différents composants. Le revêtement en oxyde de zinc (ZnO) et la structure carbonée spongieuse forment une équipe gagnante. Le revêtement aide les particules à adhérer plus facilement à d'autres matériaux, tandis que le carbone poreux (rempli de trous) leur offre une grande surface de réaction.
Ensemble, ils créent davantage de points où des réactions chimiques peuvent se produire et aident les matériaux à adhérer plus fortement, ce qui améliore leurs performances globales.
Nous avons ensuite cherché à savoir s'il existait une autre utilisation pour l'adsorbant usagé (les nanoparticules saturées de cuivre qu'elles avaient adsorbé). Nous avons pulvérisé ces nanoparticules et les avons réparties sur une surface poreuse. Nous avons constaté que la poudre présentait des motifs de crêtes clairs et pouvait être utilisée pour révéler les empreintes digitales latentes (empreintes digitales invisibles laissées par le sébum et la sueur naturels des personnes).
Ce qu'il faut faire ensuite
Notre étude suggère qu'il existe un fort potentiel pour développer cette technologie dans les installations de traitement des eaux et les laboratoires médico-légaux.
Pour commencer, les instituts de recherche et les universités devraient tester les performances de ces nanoparticules dans les stations d'épuration municipales ou industrielles. Des tests plus longs permettraient également de déterminer si les nanoparticules de feuilles d'ananas sont rentables à long terme.
Les nanoparticules doivent également être testées afin de vérifier si elles restent stables pendant longtemps dans l'eau et ne se décomposent pas.
Les laboratoires médico-légaux et les forces de l'ordre devraient explorer les moyens d'intégrer l'adsorbant usagé dans leur travail de recherche d'empreintes digitales invisibles. L'utilisation de l'adsorbant usagé à la place des poudres d'empreintes digitales ordinaires pourrait réduire les coûts.
Les organismes gouvernementaux et les décideurs politiques devraient soutenir cette nouvelle découverte par le biais de financements et d'incitations en faveur de matériaux durables et multifonctionnels.
Les nanoparticules qui valorisent les déchets agricoles et répondent à la fois aux besoins environnementaux et sociétaux devraient être développées en priorité.
À un moment donné, des réglementations seront également nécessaires.
Les partenaires industriels, en particulier ceux des secteurs de la transformation agricole, de l'exploitation minière et de la fabrication, peuvent jouer un rôle en fournissant des déchets agricoles et en trouvant des moyens de commercialiser les produits.
En favorisant la collaboration entre le monde universitaire, l'industrie, le gouvernement et les forces de l'ordre, cette technologie peut contribuer à lutter contre la pollution par les métaux lourds. Elle pourrait également réduire les déchets et stimuler la création de nouveaux produits à base de feuilles d'ananas.
