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Diamants et électrochimie : une technologie nouvelle rend l'eau plus propre en Afrique

Diamants et électrochimie : une technologie nouvelle rend l'eau plus propre en Afrique
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Comment désinfecter l'eau de manière performante, durable et peu coûteuse pour couvrir les besoins essentiels des habitants des zones reculées d'Afrique ? Des scientifiques africains et européens travaillent ensemble à trouver des réponses.

Dans le sud du Mozambique, notre reporter Julián López Gómez nous fait découvrir l'une des solutions développées dans le cadre d'un projet de recherche mené en commun par des chercheurs africains et européens et appelé SafeWaterAfrica : il s'agit d'un prototype de petite station d'épuration des eaux usées qui est en cours d'installation à Ressano Garcia.

Il faut rappeler que le Mozambique figure parmi les 16 pays de la Communauté de développement de l'Afrique australe et qu'environ 40% de la population de ses États membres n'a pas accès à l'eau potable : ce qui représente quelque 130 millions de personnes.

Maladies liées à l'eau : un défi au Mozambique

Ressano Garcia est une petite ville près de la frontière avec l'Afrique du Sud qui illustre la gravité et l'urgence de la situation. Les habitants utilisent les sources d'eau à leur disposition.

"Actuellement, 14.000 personnes vivent dans cette ville," explique Silvestre Mario Trigo, responsable de l'usine de traitement des eaux municipale. "Une partie d'entre elles n'ont pas accès à l'eau potable et donc, viennent prendre de l'eau dans la rivière, or l'eau de cette rivière n'est pas traitée," souligne-t-il. "Donc quand elle est utilisée ensuite par les habitants, elle cause des diarrhées et d'autres maladies liées à l'eau," dit-il.

De l'eau contaminée peut effectivement transmettre des affections comme le choléra, la dysentrie, la typhoïde ou la polio même si la diarrhée est la maladie la plus fréquente sur place. Elle touche environ 10% des quelque 500 patients pris en charge chaque jour dans ce centre de santé local.

"L'une des principales causes des diarrhées et des maladies diarrhéiques, c'est la mauvaise qualité de l'eau," insiste Abdul Rafael Sega, directeur du centre médical de Ressano Garcia. "Il est parfaitement évident que plus l'eau à laquelle les gens ont accès est propre, plus cela améliorera l'état de santé de l'ensemble de la population," fait-il remarquer.

L'ozone comme agent nettoyant

Fournir de l'eau saine, c'est à cela que doit servir la petite station en cours d'installation au sein de l'usine de traitement des eaux usées de la ville dont l'état est vétuste.

Le prototype été conçu pour dégrader les polluants nocifs comme les pesticides et rendre inactifs les microbes et les pathogènes. Il s'appuie sur une technologie appelée oxydation électrochimique qui génère de l'ozone dans l'eau polluée. L'ozone agit comme un agent nettoyant.

"Ce prototype de station est capable de traiter l'eau grâce à des procédés très divers : la coagulation, la décantation et différentes phases de filtration," décrit Amiro Abdula Martins, ingénieur civil de l'entreprise mozambicaine Salomon Lda impliquée dans le projet. "Ce système produit de l'ozone dans l'eau, cet ozone est caractéristique d'une bonne qualité de l'eau, il nettoie l'eau en réalité," poursuit-il. "Nos études ont montré que ce système est capable de nettoyer 80 à 90% des saletés présentes dans l'eau," précise-t-il.

Station pilote mobile au Mozambique

Un prototype plus grand en Afrique du Sud

À 40 km au sud de Johannesburg en Afrique du Sud, à Klipwater, les chercheurs ont créé une station pilote plus grande qui utilise une technologie similaire. Celle-ci filtre et purifie l'eau provenant d'une rivière polluée à proximité et d'une station de traitement des eaux usées située juste à côté.

Cette installation comme l'unité de traitement mobile du Mozambique fait partie du même projet de recherche européen SafeWaterAfrica qui a pour but de délivrer une eau saine aux habitants des zones rurales et péri-urbaines d'Afrique en utilisant des méthodes performantes et peu coûteuses.

"La capacité maximale est de 1300 litres d'eau traitée par heure, donc au total, nous essayons de purifier au moins 10.000 litres d'eau par jour," indique Zakitni Ngrobo, scientifique spécialiste du traitement de l'eau à l'Université de technologie deTshwane. "Cette eau est potable, elle n'est pas nocive pour la santé humaine et elle peut être utilisée à des fins domestiques ou encore pour l'irrigation," dit-il.

Le système de désinfection repose sur un certain type d'électrodes métalliques. Celles-ci sont placées dans l'eau polluée qui a été préalablement filtrée. À son contact, elles génèrent de l'ozone qui neutralisent les germes.

"À l'atome d'oxygène de l'eau, nous allons ajouter une autre molécule d'oxygène pour obtenir de l'O3 : c'est l'ozone qui est produit simplement avec de l'eau et de l'électricité," décrit Mbali Ntuli, autre scientifique spécialiste du traitement de l'eau au sein de cette même université. "Ensuite, il réagit avec l'eau pour éliminer les micro-organismes, les pathogènes : c'est ce qui fait que l'eau devient beaucoup plus propre," affirme-t-elle.

Sans produit chimique

Les chercheurs veulent que chaque station soit autonome et construite avec le plus grand nombre possible de matériaux locaux et durables.

"Nous avions dit que nous n'utiliserions aucun produit chimique pour la désinfection," assure Mark David Woods, ingénieur mécanique de l'entreprise Virtual Consulting Engineers. "C'est parce que c'est difficile de s'en procurer, en particulier quand on veut équiper des communautés rurales qui n'ont qu'un accès limité à ce type de produit," dit-il.

Ces efforts sont menés dans le cadre du programme européen Horizon 2020 et plus précisément de sa stratégie de coopération internationale. Son principe : relever des défis environnementaux et sociétaux dans le monde grâce à un partenariat entre les chercheurs européens et ceux des pays concernés.

Un prétraitement de l'eau élaboré en Espagne

La qualité de l'eau à la fois en Afrique du Sud et au Mozambique s'est avérée bien inférieure à ce que pensaient les scientifiques, principalement en raison de sa teneur massive en matières fécales.

"Les chercheurs ont donc dû développer un système qui garantisse un prétraitement efficace de cette eau pour faciliter sa désinfection ultérieure et c'est dans le centre de l'Espagne dans la ville de Ciudad Real que cette technologie a été développée," précise notre reporter Julián López Gómez.

Les ingénieurs chimistes espagnols impliqués dans ce projet ont très vite compris que l'eau souillée avait besoin d'un nettoyage intensif pour la débarrasser de ses composés organiques avant de la soumettre à un processus de purification électrochimique.

"D'un point de vue technique, les technologies de prétraitement sont des processus physico-chimiques," explique Cristina Sáez Jiménez, ingénieur chimiste à l'Université de Castille - La Manche. "L'idée," ajoute-t-elle, "c'est de séparer les matières organiques en suspension dans l'eau avant que l'eau ne soit désinfectée dans un réacteur où l'eau peut redevenir sale avec les impuretés qui s'y s'accumulent. Ce qui peut créer des problèmes opérationnels importants au niveau de l'ensemble du processus de désinfection," insiste-t-elle.

Sel de fer

Les chercheurs ont élaboré différents systèmes de prétraitement avant de trouver la solution adaptée à la qualité de l'eau et au contexte socio-économique spécifiques du Mozambique et de l'Afrique du Sud. Leur option finale de taille réduite a ensuite été développée à grande échelle.

"Le coagulant que nous utilisons, c'est une sorte de sel de fer," indique Javier Llanos López, ingénieur chimiste au sein de la même université. "Donc on ajoute ce sel de fer dans l'eau qui comme vous le voyez, devient marron : le processus consiste à traiter les composés organiques pour qu'ils forment des morceaux beaucoup plus gros qui au-dessus, sont séparés beaucoup plus facilement grâce à un décanteur," montre-t-il.

Son collègue Manuel Andrés Rodrigo Rodrigo renchérit : "Quand on essaie de désinfecter une eau qui est extrêmement souillée de matières fécales, le processus électrochimique peut coûter très, très cher. C'est pour cela que nous avons décidé d'inclure des prétraitements pour que le coût de la désinfection de l'eau soit réduit et en plus de ce processus peu coûteux, nous avons aussi essayé d'utiliser des matériaux vraiment low cost," affirme-t-il.

Méthode allemande de nettoyage avec des électrodes recouvertes de diamant

Autre partenaire du projet, le centre de recherche de Braunschweig en Allemagne a développé la technologie de désinfection proprement dite, et ce grâce à des matériaux pour le moins inattendus : des films à base de diamant artificiel.

Les électrodes utilisés pour nettoyer l'eau sont réalisées dans un métal appelé le niobium. Ce métal est recouvert de films à base de diamant. Un autre élément chimique, le bore fournit la conductivité nécessaire au fonctionnement de toute cette technologie.

Ce processus chimique long et complexe oblige à utiliser des fours pouvant chauffer jusqu'à 2500 degrés.

Sven Pleger, ingénieur chimiste à l'Institut Fraunhofer pour l'ingénierie de surface et les films fins, nous décrit ses outils : "Avec ces microscopes électroniques, on peut observer la surface d'une électrode en diamant. Ces diamants mesurent 4 microns : ce qui est la taille requise pour l'application que nous développons," dit-il. "Le microscope électronique nous aide aussi à regarder la rugosité de la couche et à vérifier que les cristaux prévus se sont bien formés durant le processus et nous pouvons aussi voir s'il y a des trous au niveau de la surface et si l'adhérence est suffisante ou non," déclare-t-il.

Efficacité énergétique

Les électrodes ainsi réalisées sont ensuite activées par l'électricité pour permettre la désinfection de l'eau.

L'ensemble du processus a été conçu pour réduire le plus possible la consommation d'énergie.

"Les électrodes en diamant peuvent produire de l'ozone avec une tension électrique très élevée et avec une utilisation de l'électricité à 100%," fait remarquer Lothar Schäfer, physicien au sein de l'Institut Fraunhofer et coordinateur de ce vaste projet africain et européen. "Nous créons directement de l'ozone et non pas de l'oxygène : cela représenterait une perte d'énergie de produire de l'oxygène parce qu'il s'échapperait plutôt que d'aider au processus de nettoyage," assure-t-il.

À Ressano Garcia, 1600 m³ d'eau potable sont nécessaires pour couvrir chaque jour, les besoins essentiels de la population croissante de la ville. Les chercheurs indiquent avoir développé leur prototype pour aider à relever ce défi et envisagent de s'en servir d'exemple pour d'autres petites villes et villages reculés en Afrique.

"Les principaux avantages sont la flexibilité et la transportabilité de ces petites unités, on peut les installer facilement dans des lieux reculés et isolés," souligne Nelson Pedro Matsinhe, ingénieur civil de l'entreprise Salomon Lda, avant d'ajouter : "Notre principal objectif est de fournir de l'eau qui une fois consommée par la population, ne cause aucun dommage pour la santé publique et donc à terme, d'améliorer la santé des populations."

D'après l'Organisation mondiale de la santé, 1,8 milliards de personnes dans le monde continuent de boire de l'eau provenant d'une source contaminée par des matières fécales.

Contribuer à réduire leur nombre, c'est tout le sens du travail des scientifiques africains et européens impliqués dans le projet.