LES DÉTAILS DE LA TECHNOLOGIE NC-D NANOCÉRAM-DISRUPTOR
Filtrer son eau de boisson : la technologie utilisée par la NASA
L’idée première pour filtrer l’eau est une filtration mécanique : c’est le mode opératoire du tamis, plus le maillage est fin et moins il y a d’impuretés qui passent. Par contre plus le maillage est fin et plus l’eau aura des difficultés à traverser ce filtre, donc plus les pertes de charge vont être importantes : il faudra beaucoup de pression à l’eau pour franchir ce filtre. Ce mode opératoire est utilisé par les filtres à café, qui retiennent les particules solides et laissent passer le liquide. A l’extrême c’est aussi le principe de l’osmose inverse, dont le maillage est tellement fin que seules les molécules d’eau traversent la membrane.
Un deuxième principe de nettoyage de l’eau existe, celui de l’adsorption : les impuretés sont attirées et vont venir se coller d’elles-mêmes sur les parois, sur du charbon actif ou de la zéolite par exemple.
L’eau contient certes des sédiments et autres particules solides qu’il faut filtrer, mais aussi des bactéries. Or, si des micro-organismes ne sont pas filtrés, des colonies microbiennes vont se retrouver en aval du filtre. Et s’ils sont retenus dans le filtre alors un développement bactérien va se produire sous forme de biofilm au sein de ce filtre. Au fil du temps ce biofilm risque de relarguer des colonies microbiennes, il est donc préconisé soit de changer régulièrement les filtres, soit d’inclure dans le système de filtration des éléments antibactériens.
1- Les filtres NanoCéram-Disruptor NC-D
Filtrer l’eau est une difficulté qui s’est aussi posée à la NASA : à bord de la Station Spatiale Internationale (ISS) par exemple, chaque goutte d’humidité, transpiration, fluide corporel et échantillon d’eau doit être filtré afin de le recycler et le transformer en eau potable sans qu’il y ait de développement bactérien.
La solution mise au point est un média filtrant composé d’un maillage de fibres de verre, dont les pores sont suffisamment larges pour que les pertes de charges soient faibles, et dans lequel sont incorporés de la zéolite, des ions argent antibactériens ainsi que de la poudre de charbon actif. Ce média filtrant, appelé NanoCéram-Disruptor® (NC-D), associe le principe du tamis et celui d’une adsorption « haut de gamme », permettant d’avoir tous les avantages d’un filtre très fin (une filtration équivalente à 0,1 µm) mais sans les inconvénients liés à la perte de charge. (Cette innovation a valu à ce filtre le prix Hall of Fame de la Space Foundation en 2005).
Quelques ordres de grandeur
La taille d’une bactérie est d’environ 2 µm (micromètres), c’est-à-dire 0,002 millimètres. Un cheveu est à 70 µm de diamètre, un virus entre 0,02 et 0,3 µm. Le sable très fin est à 50 µm, et l’argile 1 µm. Une filtration mécanique peut ainsi être suffisante pour les sables, les sédiments et microparticules solides dont les microplastiques, mais pas pour les virus (hormis par des systèmes d’osmose inverse).
Les ions argent
Ajouter une étape « antimicrobienne » dans le processus de filtration empêchera la formation de biofilm. Depuis des milliers d’années l’argent est utilisé en médecine, et les scientifiques connaissent bien ses propriétés d’antibactérien puissant. Les ions d’argent (Ag+) agissent en perçant les membranes des bactéries puis pénètrent à l’intérieur pour les détruire. Ils se lient à des composants cellulaires essentielles comme l’ADN, empêchant ainsi les bactéries de fonctionner. Les ions d’argent à faibles concentrations sont toxiques pour les bactéries et les micro-organismes, mais ils ne le sont pour nos cellules qu'à de fortes concentrations [J. S. Clement, P. S. Jarrett, Metal Based Drugs 1994, 1:467-482.]
Absorption, adsorption
L’absorption fonctionne à la manière d’une éponge : c’est un phénomène d'interaction en volume lorsque des molécules passent à l’intérieur d’un autre volume (remplissage d’un corps par un autre).
L'adsorption désigne un accrochage en surface, sans pénétration : l’adsorption fixe des molécules à la surface d’un solide, à la manière d’un aimant. C’est par un phénomène d’adsorption que le charbon actif va piéger les mauvaises odeurs.
Le charbon actif
Les charbons actifs peuvent être obtenus à partir d’un grand nombre de matériaux carbonés (bois, charbon, résidus pétroliers, etc.), par des processus de carbonisation suivis de processus d’activation contrôlés. Les charbons actifs sont composés de micro cristallites élémentaires de graphite qui sont assemblées avec une orientation aléatoire. Les espaces entre ces cristallites forment les pores dont la distribution des tailles va de 0,002 à 0,05 µm. La surface des charbons actifs est en général non polaire, même si une légère polarité peut apparaître par une oxydation de la surface. En conséquence ils adsorbent de préférence les composés organiques non polaires ou faiblement polaires (par opposition à l’électro-adsorption décrite plus loin). Ils sont fréquemment utilisés pour la récupération des vapeurs de solvants et d'hydrocarbures, la décoloration de sucres, la purification d'eau, l’élimination d'odeur, etc.
Le charbon actif est généralement considéré comme le meilleur adsorbant disponible pour améliorer le goût et l'esthétique de l’eau, c’est aussi un très bon support pour l’adhésion de microorganismes. Le revers de la médaille étant la formation probable de biofilm à la surface des filtres à charbon actif.
La zéolite
Cette pierre d’origine volcanique se caractérise par sa structure microporeuse en nid d’abeille qui lui confère des propriétés d’adsorption exceptionnelles.
La zéolite est capable d’adsorber de nombreux types différents de molécules, que ce soit des gaz, des dérivés pétrochimiques, des métaux lourds et même des éléments radioactifs (la zéolite présente une affinité naturelle pour adsorber les nucléides radioactifs comme le césium et le strontium, ce qui la rend efficace pour capturer et éliminer ces contaminants). La composition chimique des différentes zéolites est proche de celle des argiles.
L’électro-adsorption
La surface des éléments adsorbants peut être électriquement neutre, ou électriquement chargée. Dans ce dernier cas sont alors mises en œuvre des interactions de Van der Walls, c’est-à-dire l’attraction naturelle d’une charge positive avec une charge négative, à la manière d’un aimant pôle nord/ pôle sud.
Certaines fibres minérales, lorsqu’elles sont baignées dans l’eau, développent naturellement une charge électrique à leur surface, qui va ainsi attirer et piéger les agents nocifs : ce principe de l’électro-adsorption est le cœur du média filtrant développé avec et pour la NASA.
Plusieurs industriels ont intégré cette technologie pour des applications domestiques :
- la société Argonide (qui est le concepteur de ce média filtrant) propose ces filtres sous forme de cartouche 10 et 20’’ ; ces cartouches NC-D s’intègrent dans des porte-filtres standard, pouvant ainsi remplacer les habituels filtres à charbon actif ou filtres à membrane de 1 µm par des filtres beaucoup plus performants
- la société ÖKO a intégré ces filtres dans une gourde, idéale pour les randonnées puisqu’il devient possible de directement prendre l’eau des lacs et des rivières pour la boire (virus, parasites, sédiments et bactéries étant retenues dans le filtre)
- la société Quell a décliné ces filtres dans en carafes filtrantes et petites fontaines, pour la cuisine au quotidien. Quell propose également un autre design de gourde, plus légères que ÖKO.
2- Le filtre NanoCéram-Disruptor® (NC-D) : les résultats
Poussières et turbidité
Les particules submicroniques sont responsables d'une grande partie de l'encrassement des membranes d'osmose inverse et dégradent l'efficacité des systèmes de désinfection aux ultraviolets et à l'ozone.
Le test le plus simple consiste à mesurer les masses d’impuretés retenues, après que les filtres aient fonctionné dans des conditions identiques et pendant la même période.
Les résultats par type de filtre sont les suivants :
Filtre en fibre de verre : 4 mg/cm² de poussières retenues
Filtre de technologie Meltblown : 0,3 mg/cm²
Filtre membrane : 0,2 mg/cm²
Filtre NanoCéram-Disruptor® NC-D : 89 mg/cm²
Les membranes de préfiltration standard ont une faible capacité à retenir la saleté, entraînant des cycles de nettoyage fréquents et une augmentation des coûts d'exploitation ; les filtres de technologie NC-D retiennent entre 20 et 400 fois plus de poussières que les filtres classiques (test A2 poussières fines ISO121030-1 A2)
Ces particules en suspension (minérales, végétales, microorganismes, précipités, …) vont rendre l’eau trouble. Le test de turbidité est réalisé avec l’acide humique, d’une taille souvent plus petite qu’un virus (l’acide humique est formé par la dégradation microbienne de matières végétales).
- NTU < 5 : eau claire.
- 5 < NTU < 30 : eau légèrement trouble.
- NTU > 50 : eau trouble.
(Le NTU mesure la lumière diffusée dans l'échantillon, sur le principe que chaque particule éclairée se comporte comme un point source de lumière)
Comparatif de différents filtres à charbon actif
Le charbon actif (en granulés ou en poudre) est utilisé dans un lit compact, ou est combiné à un média filtrant. L'incorporation de granulés de carbone dans un média filtrant nécessite habituellement des adhésifs ou un additif à base d'amidon pour empêcher le carbone d'être éliminé. Les granulés de carbone peuvent aussi être enchevêtrés dans un système de mousse.
La poudre de charbon actif contenu dans le filtre NC-D NanoCéram-Disruptor® est maintenue dans la structure par des forces électro-adhésives, sans utiliser d'adhésifs ou d'amidons qui aveugleraient ou désactiveraient éventuellement le carbone. Le NanoCéram-Disruptor® offre une surface externe largement plus grande, ce qui permet une adsorption beaucoup plus rapide des contaminants solubles, et des débits élevés.
Les filtres classiques de charbon actif n’enlèvent que la moitié du chlore, et deviennent rapidement inefficaces.
Les filtres NC-D sont plus performants, sur de grands volumes.
Comparatif avec l'iode
La technologie NC-D NanoCéram-Disruptor®
L'ingrédient électro-adsorbant du filtre NC-D est une fibre, dont chaque gramme a une superficie supérieure à 500 mètres carrés. Des surfaces aussi élevées ne peuvent être obtenues ni dans une membrane classique, ni dans un filtre fibreux.
La clé est une nouvelle méthode pour greffer des fibres submicroniques de manière permanente sur un échafaudage. Cela permet de séparer ces fibres les unes des autres afin que chacune d'entre elles puisse faire ce pour quoi elle a été optimisée, à savoir attirer et capturer les particules submicroniques.
Cette fibre est donc fixée à un échafaudage plus large de micro-fibres de verre, puis transformée en un filtre non tissé dont la taille des pores est d'environ 2 à 3 µm.
- Le filtre retient les particules de plus de 2 µm par tamisage mécanique.
- Les particules plus petites que la taille moyenne des pores sont poussées dans la matrice où elles sont adsorbées.
Une épaisseur de filtre de 1 mm est capable d'adsorber plus de 99,999 % des bactéries, même les plus petites comme Klebsiella Terrigena (0,5 µm). Des études d'adsorption avec des sphères de latex de 0,2 µm montrent qu'une cartouche NC-D peut être considérée comme un filtre absolu de 0,2 µm. Au final, la membrane filtrante sera ensuite plissée pour augmenter encore la surface d’échange.
Ce qui est filtré par la technologie NanoCéram-Disruptor®
99,99999 % de bactéries (E. coli, B. diminuta, pseudomonas, legionella, klebsiella terrigena,…)
> 99,99 % de virus (polio, rotavirus, norovirus, hépatite A,…)
> 99,9999 % du virus MS2 (d’une taille de 0,027 µm)
> 99,95% de l’endotoxine (concentration 235 EU/ml). Les endotoxines constituent un contaminant particulaire dans les produits pharmaceutiques, elles peuvent être aussi petites qu'un virus et sont habituellement difficiles à filtrer.
> 99,9999 % de dextrose dosé à 5%
> 99,9 % d'efficacité à 0,2 µm (sphères en latex)
> 99,95 % de kystes (giardia, cryptosporidium, etc.)
> 95% de plomb
> 80% de fer ferreux
> 95% d’arsenic
> 95% de cadmium
85 % de chrome
> 75 % de sélénium
> 60% de mercure
Sont aussi filtrés :
Le cuivre ; l’aluminium ; les minéraux colloïdaux tels que la poussière de carbone et la silice ; les parasites (ténia, fasciola hépatique, ascariose, …) ; la pénicilline G ; fluméquine, polysaccharides ; BPA (bisphénol A) ; PCBs ; micro-plastiques (polytéréphtalate d’éthylène PET) ; acide humique ; brome ; bromine ; ADN / ARN ; iode ; ortho-phosphate ; trihalométhanes (THM) ; COV (Composés Organiques Volatiles) ; benzène ; chlore ; chloramine ; antimoine ; produits pharmaceutiques et médicaments résiduels ; perturbateurs endocriniens ; hormones ; précurseurs du biofouling (biofilms) : acides organiques, protéines, polysaccharides ; goût, odeur, couleur ; manganèse ; ions ammonium ; une grande partie du calcaire et des nitrates ; algues ; protozoaires ; kystes et autres micro-organismes.
Sauf cas particulier des gourdes et carafes filtrantes, il est recommandé de placer au moins un filtre à sédiments de 5 µm devant le filtre NanoCéram-Disruptor®, pour éviter un colmatage prématuré en raison de sa très grande efficacité à capturer une gamme étendue de particules, et augmenter ainsi sa durée de vie.
Mention légale : "Ne pas utiliser avec de l'eau microbiologiquement dangereuse ou de qualité inconnue sans une désinfection adéquate avant ou après le système’’.
3- Des applications industrielles
Les membranes d’osmose inverse étant extrêmement fines, elles doivent être protégées en amont par un système de préfiltration. Plus ce système de préfiltration est efficace, et plus la durée de vie de ces membranes sera prolongée.
Leurs principales problématiques sont les suivantes :
- colmatage par des particules sédimentaires submicroniques
- détérioration par le chlore
- création de biofilm par une accumulation de bactéries, virus, débris cellulaires, colloïdes et autres matières organiques.
Tous ces constituants étant retenus par la technologie NanoCéram-Disruptor®, une préfiltration NC-D va fournir en entrée d’osmose inverse une eau très faiblement colmatante : les périodes d’entretien, de nettoyage, de maintenance, de remplacement de ces membranes seront espacées.
Les applications industrielles sont multiples : filtration des eaux de process pour les tours de refroidissement, les boucles d'eau glacée, les systèmes de désinfection à l'ozone ou aux UV, les buses de pulvérisation à petite ouverture, les pompes, les systèmes de découpe au jet d'eau, l’alimentation des chaudières, la filtration de la gélatine, des encres, de l'amidon, du carbone, des pigments de peinture et de nombreux autres procédés industriels et pharmaceutiques.
Le système NC-D peut aussi être utilisé pour la filtration des eaux usées : COV, sous-produits de désinfection, traces de substances organiques toxiques, perturbateurs endocriniens, colorants solubles et particulaires, turbidité, particules, suspensions colloïdales, métaux.
NanoCéram-Disruptor® fonctionne efficacement dans les applications liquides de salinité faible ou élevée, jusqu’à 200°C et entre pH4 et pH9.
L’exemple de Toyota
Pour purifier l'eau recyclée, Toyota utilise des membranes d'osmose inverse, qui avaient tendance à s'encrasser facilement même avec l’utilisation de préfiltres. Ces préfiltres standard laissaient passer trop de particules et les membranes d’osmose inverse étaient à remplacer tous les 2 à 3 mois. En 2007, ces préfiltres sont remplacés par des cartouches NanoCéram-Disruptor®, et depuis les membranes d’osmose inverse durent 14 mois (c’est-à-dire 5 à 7 fois plus longtemps), sans modification du flux d’eau.
L’exemple dans une cave à vin
Le processus de production intègre un système de membrane à fibres creuses, avec une préfiltration via une cartouche de polypropylène de 5 µm et une autre de 1 µm. Cependant, la source d'eau d'alimentation contient de forts niveaux de fer sous forme de fer colloïdal ; avec un grand pourcentage de particules de taille inférieure à 1 µm, ce système de préfiltration n'était pas capable d'éliminer la majorité du fer colloïdal, entraînant un encrassement prématuré des membranes et des coûts de maintenance élevés.
La cartouche de 1 µm a simplement été remplacée par une cartouche filtrante NanoCéram-Disruptor® (le porte filtre est resté inchangé, les dimensions étant standard), la cartouche de 5 µm est laissée en place. La durée de vie effective des membranes filtrantes a augmenté de 3 à 4 fois, et les coûts de filtration ont été réduits de 30%.
Ils utilisent la technologie NC-D :
La NASA ; US air Force ; Institut Pasteur ; US Environmental protection Agency ; JPL - Jet Propulsion Laboratory ; California Institute of Technology ; Toyota…
4-Des applications domestiques
Les filtres sont fabriqués avec des matériaux qui répondent aux exigences de la FDA 21CFR177.1520 pour les applications en contact direct avec les aliments ; ils sont conformes aux normes internationales NSF/ANSI 42 et 61.
. Sur le terrain, en randonnée : suppression des bactéries d’une eau de lac avec les filtres NC-D
Exemple avec la gourde « Nomad » de Quell
Le pH et la teneur en minéraux ne sont pas modifiés ; les bactéries et micro-organismes sont totalement filtrés.
. Test de la filtration d’une eau colorée avec 3 carafes du commerce : avec Quell l’eau ressort transparente
130 litres d’eau /an/personne =
9 milliards de litres d’eau en bouteilles achetés chaque année en France
Filtrer l’eau de son réseau : Remplace les packs d’eau
. En pratique
- Pour la cuisine
Carafe 1,6 litres ; Ref : Eiva (54 € TTC)
Fontaine à placer sur l’évier ; Ref : CounterTop (189 € TTC)
Fontaine à placer sous l’évier ; Ref : UnderSink (249 € TTC)
- Pour la randonnée, dans son sac pour la journée, ou à l’hôtel : les gourdes
Le filtre est vissé dans le bouchon des gourdes ; la filtration a lieu lorsque l’eau sort de la gourde
Ref : ÖKO ; (de 49 à 69 € TTC)
- Pour le réseau général de la maison : les longueurs et diamètres des cartouches sont standard pour les porte-filtres habituels ; longueurs 25 cm (10’’) ou 50 cm (20’’) ; diamètres 6,5 cm (2,5’’) ou 11,5 cm (4,5’’). Les cartouches 4,5’’ correspondent aux dimensions des « big blue ».
Double Pleated PAC Filter avec Agion, 2,5’’
Ref : PAC2.5-10 DPAG pour la cartouche 2.5" X 10’’ (149 € TTC)
Ref : PAC2.5-20 DPAG pour la cartouche 2.5" X 20’’ (210 € TTC)
Pleated PAC Filter avec Agion +Carbon Block, 4,5’’
Ref : PACB4.5-10 AG pour la cartouche 4.5" X 10’’ (220 € TTC)
Ref : PACB4.5-20 AG pour la cartouche 4.5" X 20’’ (334 € TTC)
Comment choisir le format pour votre maison :
- Les capacités annoncées pour les filtres sont les suivantes :
Ces chiffres correspondent à une filtration de chlore dosé à 2 ppm, qui est le dosage d'une piscine. Or le dosage réel dans l'eau du robinet étant de 0,2 à 0,5 ppm, les capacités annoncées peuvent donc facilement être multipliés par 4 voire 10 dans le cadre d'une utilisation domestique. Les capacités réalistes sont ainsi proches de :
cartouche 2,5 x 10 pouces : 300 m3
cartouche 2,5 x 20 pouces : 600 m3
cartouche 4,5 x 10 pouces : 500 m3
cartouche 4,5 x 20 pouces : 1000 m3
- En supposant une consommation moyenne de 55 m3 par an et par personne, pour une habitation de :
1 personne : le filtre 2,5x10 aura une durée de vie probable de 300/55 = 5,5 ans, pour un coût de revient de 149/65=2 € TTC/mois
2 personnes : le filtre 2,5x10 aura une durée de vie probable de 2,5 ans
4 personnes : le filtre 2,5x20 aura une durée de vie probable de 2,5 ans
10 personnes : le filtre 4,5x20 aura une durée de vie probable de 1,8 ans, pour un coût de revient de 15 € TTC/mois
Toujours prévoir une préfiltration avec un filtre à sédiment de 5 µm, pour ne pas saturer inutilement le filtre NC-D avec des impuretés qu'il est facile d'éliminer
- Pour le camping-car : Cartouche 2.5" X 10’’ avec la tête de filtre ;
Ref : EPAC2.5-10 AG (215 € TTC)
Toutes ces références utilisent la technologie de filtre NC-D (NanoCéam-Disruptor®)
