Voir la source de Fer zérovalent

Le '''fer zérovalent''', également écrit '''fer zéro-valent''' ou « '''NPF0''' », est une poudre de fer de [[Pureté chimique|pureté]] élevée et de haute qualité. Cette poudre est utilisée en particulier pour le [[Production d'eau potable|traitement]] ou le conditionnement de l’eau, pour créer des [[Barrière réactive perméable|barrières réactives perméables]] et d’autres applications de [[dépollution des sols]].

== Nature ==
[[Fichier:Pourbaix Diagram of Iron.svg|droite|vignette|redresse=1|alt=Diagramme montrant les différents états du fer en fonction de l'acidité d'un milieu et du potentiel d'oxydoréduction de celui-ci.|[[Diagramme de Pourbaix]] du fer, montrant dans quelles conditions d'[[Acide|acidité]] et de [[potentiel d'oxydoréduction]] il est à l'état natif.]]

Les particules de fer zérovalent sont de taille nanométrique. Leur composition est systématiquement double. Le cœur de la particule se compose de fer métallique et la périphérie d’[[Oxyde de fer|oxydes]] et d’{{page h|Hydroxyde de fer|hydroxydes de fer}}. Cette double composition permet aux nanoparticules d'être dotées de caractéristiques de [[sorption]], par les oxydes, et d'[[Réaction d'oxydoréduction|oxydoréduction]] par le fer métallique<ref name="Procédé de traitement in situ des sites pollués page 16"> {{Référence Harvard sans parenthèses | Tanina Kabeche 2014 | loc = 4 Caractérisation des nanoparticules de fer zérovalent — 4.1 Composition des NPF0 | p = 16}}.</ref>.

{{clr|right}}

== Fabrication ==
Le fer zérovalent consiste à réduire des déchets de fer vierges recyclés intégralement en obtenant une teneur en fer supérieure à 92 % et une faible teneur en carbone ainsi qu'en autres résidus<ref name="Envirotechnics"> {{Lien web | langue = fr | auteur = | titre = Fer zéro valent (ZVI) | année = | mois = | jour = | url = https://www.envirotecnics.com/fr/produit/fer-zero-valent/ | éditeur = Envirotechnics | consulté le = 1er septembre 2023}}.</ref>.

Plusieurs procédés permettent d'obtenir du fer zérovalent :

{| class="wikitable centre"
|+ Méthode d'obtention du fer zérovalent
|-
 ! Catégorie
 ! Nom
 ! Procédé
 ! Atouts et handicaps
|-
 | colspan="2" | Procédé mécanique
 | Par [[broyage]] ou [[Attrition (érosion)|attrition]], le matériau initial est introduit en contact avec des billes de plus grande taille servant d’agent de broyage, entraînées à haute vitesse. Les frottements désagrègent le matériau jusqu'à l'obtention d'une poudre nanométrique.
 | Ce procédé est très consommateur en énergie. D'autre part, il nécessite que le matériau de départ soit assez fragile<ref name="Procédé de traitement in situ des sites pollués page 8"> {{Référence Harvard sans parenthèses | Tanina Kabeche 2014 | loc = 3. Synthèse de nanoparticules de fer zérovalent — 3.1. Synthèse par voie mécanique | p = 8}}.</ref>.
|-
 | rowspan="6" | Procédé chimique simple
 | Réduction au [[borohydrure]] de sodium
 | Les réactions suivantes sont utilisées :<br /><ce>Fe(H2O)6^3+ {+} 3 BH4- {+} 3 H2O -> Fe0 {+} 3 B(OH)3 {+} 10,5 H2</ce><br /><ce>4 Fe^3+ {+} 3 BH4- {+} 9 H2 -> 4 Fe0v {+} 3 H2BO3- {+} 12 H+ {+} 6 H2</ce>
 | Les NPF0 synthétisées par cette méthode ont une taille comprise entre un et cent nanomètres et une [[surface spécifique]] de 33,5 m²/g. Les paramètres opératoires peuvent en partie influencer la composition et les propriétés de surface des particules de fer produites<ref name="Procédé de traitement in situ des sites pollués page 9"> {{Référence Harvard sans parenthèses | Tanina Kabeche 2014 | loc = 3. Synthèse de nanoparticules de fer zérovalent — 3.2 Synthèse par voie chimique — {{petites capitales|i}}. Synthèse par réduction au borohydrure | p = 9}}.</ref>.
|-
 | Synthèse à partir de [[dithionite de sodium]]
 | Les réactions suivantes sont utilisées :<br /><ce>2 S2O4^2- {+} 4 OH- -> 2 S2O3^2- {+} 2 H2O {+} 2 e-</ce><br /><ce>Fe^2+ {+} 2 e- -> Fe(s)</ce><br /><ce>S2O4^2- {+} Fe^2+ -> Fe(s) {+} 2 S2O3^2-</ce>
 | L'avantage du dithionite de sodium est qu'il est moins dangereux et moins cher que le borohydrure<ref name="Procédé de traitement in situ des sites pollués page 10-1"> {{Référence Harvard sans parenthèses | Tanina Kabeche 2014 | loc = 3. Synthèse de nanoparticules de fer zérovalent — 3.2 Synthèse par voie chimique — {{petites capitales|ii}}. Synthèse de NPF0 à partir de dithionite de sodium | p = 10}}.</ref>.
|-
 | Synthèse [[Électrochimie|électrochimique]]
 | La réaction se fait dans un [[Électrolyse|électrolyseur]] chargé d'une solution de <ce>FeCl3</ce>:<br /><ce>Fe^3+ {+} 3 e- {+} stabilisateur -> Fe0v</ce> à la cathode<br />À l'anode, du [[dichlore]] est produit.
 | Un courant de 20 V et de 0,4 A est utilisé, avec un rendement de 70 %. Le stabilisateur permet d'éviter la [[Coalescence (physique)|coalescence]]. Les particules produites ont un diamètre de dix à vingt nanomètres et une surface spécifique de 25,4 m²/g<ref name="Procédé de traitement in situ des sites pollués page 10-2"> {{Référence Harvard sans parenthèses | Tanina Kabeche 2014 | loc = 3. Synthèse de nanoparticules de fer zérovalent — 3.2 Synthèse par voie chimique — {{petites capitales|iii}}. Synthèse par voie électrochimique | p = 10}}.</ref>.
|-
 | Synthèse par condensation de vapeur
 | Le [[pentacarbonyle de fer]] <ce>Fe(CO)5</ce> est porté à l'état gazeux à 150 °C, puis décomposé par de l’hélium à 350 °C dans un four. Les particules sont ensuite condensées par de l’[[azote liquide]] et collectées sous atmosphère inerte.
 | La taille résultant dépend de la température de décomposition du <ce>Fe(CO)5</ce><ref name="Procédé de traitement in situ des sites pollués page 10-3"> {{Référence Harvard sans parenthèses | Tanina Kabeche 2014 | loc = 3. Synthèse de nanoparticules de fer zérovalent — 3.2 Synthèse par voie chimique — {{petites capitales|iv}}. Synthèse par condensation de vapeur | p = 10}}.</ref>.
|-
 | Synthèse par réduction de [[goethite]] et [[hématite]]
 | Réduction de particules de goethite et hématite par de l’hydrogène entre 200 et 600 °C.
 | Les particules résultantes peuvent se présenter sous forme de poudre sèche ou de [[Suspension (chimie)|suspension]] avec un [[Potentiel hydrogène|pH]] compris entre 8 et 10<ref name="Procédé de traitement in situ des sites pollués pages 10 & 11"> {{Référence Harvard sans parenthèses | Tanina Kabeche 2014 | loc = 3. Synthèse de nanoparticules de fer zérovalent — 3.2 Synthèse par voie chimique — {{petites capitales|v}}. Synthèse par réduction de goethite et hématite | p = 10 & 11}}.</ref>.
|-
 | Utilisation de thé vert
 | Les réducteurs utilisés sont les [[polyphénol]]s présents dans le [[thé vert]]. La réaction se fait à température ambiante et sous atmosphère non inerte :<br />Fe{{exp|2+}} + 2 Ar–(OH)e{{ind|n}} → n Fe{{exp|0}} + 2n Ar=O + 2n H{{exp|+}}.
 | Ces réducteurs sont biodégradables, non toxiques et solubles dans l’eau à température ambiante. Les particules résultantes sont sphériques et de taille comprise entre quarante et cinquante nanomètres<ref name="Procédé de traitement in situ des sites pollués page 11"> {{Référence Harvard sans parenthèses | Tanina Kabeche 2014 | loc = 3. Synthèse de nanoparticules de fer zérovalent — 3.2 Synthèse par voie chimique — {{petites capitales|vi}}. Synthèse “verte” de nanoparticules | p = 11}}.</ref>.
|-
 | rowspan="2" | Procédé chimique permettant d'obtenir des particules modifiées
 | Dépôt d’un autre métal par [[Cémentation (métallurgie)|cémentation]]
 | Deux étapes sont nécessaires : la préparation du fer zérovalent est suivie du dépôt d’un autre métal par cémentation. Par exemple avec du [[palladium]] :<br /><ce>Pd2+ {+} Fe0 -> Pd0 {+} Fe2+</ce>.
 | Le coût des métaux ajoutés est plus élevé que celui du fer zérovalent ; les performances en sont améliorées d'un facteur six environ, mais seulement en conditions expérimentales ; par ailleurs, l'utilisation de ces additifs crée une dissémination de métaux toxiques dans l’environnement<ref name="Procédé de traitement in situ des sites pollués page 15"> {{Référence Harvard sans parenthèses | Tanina Kabeche 2014 | loc = 3. Synthèse de nanoparticules de fer zérovalent — 3.2 Synthèse par voie chimique — {{petites capitales|vii}}. Synthèse par voie chimique de nanoparticules de fer zéro modifiées | p = 15}}.</ref>.
|-
 | Combinaison avec des additifs
 | 
 | Le carbone est un additif souvent ajouté car les matériaux carbonés [[Adsorption|adsorbent]] les contaminants organiques [[Hydrophobie (physique)|hydrophobes]]. Des [[polyélectrolyte]]s solubles dans l'eau peuvent également être ajoutés pour stabiliser les particules et améliorer leur transfert dans le sol<ref name="Procédé de traitement in situ des sites pollués page 15" />.
|}

== Utilisation ==
[[Fichier:Iron Wall Types 2.PNG|droite|vignette|redresse=1.2|alt=Double schéma montrant les mises en place, selon deux procédés techniques, de fer zérovalent dans des [[barrière réactive perméable|barrières réactives perméables]] traitant chacune une pollution des eaux souterraines.]]

La [[dépollution]] de sols grâce au fer zérovalent est une des techniques utilisant la nanoremédiation.

=== Dépollution de sols chlorés ===
Le fer zérovalent est une des solutions utilisées pour dépolluer les sols souillés au [[chlordécone]]. Dans le cas de la [[Chlordécone aux Antilles françaises|pollution antillaise]], l'utilisation du fer zérovalent permet de réduire la concentration en chlordécone de 68 % en 94 jours. Mais le coût de l'opération est de {{unité|160000|euros}} par hectare, soit 3,2 milliards d'euros pour les vingt mille hectares contaminés<ref name="Chlordécone aux Antilles"> {{Article | langue = fr | prénom1 = Guillaume | nom1 = Le Du | titre = Chlordécone aux Antilles. Des solutions à l’étude pour faire face à cette “pollution de 100 ans” | périodique = Ouest-France | lien périodique = Ouest-France | numéro = | année = 2022 | mois = février | jour = 18 | issn = 1760-6306 | pages = | doi = | lire en ligne = https://www.ouest-france.fr/economie/agriculture/chlordecone-aux-antilles-une-pollution-de-100-ans-6aeeffbe-8ff1-11ec-95a4-db5cba442d3d | consulté le = 1er septembre 2023}}.</ref>.

De manière plus générale, les polluants chlorés sont transformés par réaction avec le fer zérovalent en [[éthylène]] et en [[chlorure]]s non toxique. Certaines techniques permettent d'observer, du moins en laboratoire, des taux de dépollution de 95 %<ref name="Traiter les sols pollués par injection de fer zéro valent"> {{Article | langue = fr | prénom1 = | nom1 = | titre = Traiter les sols pollués par injection de fer zéro valent | périodique = L'eau, l'industrie, les nuisances | lien périodique = | numéro = 376 | année = 2014 | mois = novembre | jour = 28 | issn = 0755-5016 | pages = | doi = | lire en ligne = https://www.revue-ein.com/actualite/traiter-les-sols-pollues-par-injection-de-fer-zero-valent | consulté le = 1er septembre 2023}}.</ref>{{,}}<ref name="Traiter in situ les sols et eaux"> {{Article | langue = fr | prénom1 = | nom1 = | titre = Traiter in situ les sols et eaux par nanoparticules de fer zéro-valent | périodique = L'eau, l'industrie, les nuisances | lien périodique = | numéro = 376 | année = 2014 | mois = novembre | jour = 28 | issn = 0755-5016 | pages = | doi = | lire en ligne = https://www.revue-ein.com/actualite/traiter-in-situ-les-sols-et-eaux-par-nanoparticules-de-fer-zero-valent | consulté le = 1er septembre 2023}}.</ref>{{,}}<ref name="Des nanoparticules de fer pour dépolluer les sols"> {{Article | langue = fr | prénom1 = Noële | nom1 = Enjelvin | prénom2 = Jean-Louis | nom2 = Morel | prénom3 = Marie-Odile | nom3 = Simonnot | titre = Des nanoparticules de fer pour dépolluer les sols | périodique = The Conversation | lien périodique = The Conversation (média) | numéro = | année = 2019 | mois = mars | jour = 16 | issn = | pages = | doi = | lire en ligne = https://theconversation.com/des-nanoparticules-de-fer-pour-depolluer-les-sols-109475/ | consulté le = 1er septembre 2023}}.</ref>.

=== Dépollution de sols chromés ===
La dépollution du chrome grâce au fer zérovalent se fait par réduction de ses formes les plus toxiques<ref name="Des nanoparticules de fer pour dépolluer les sols" />.

=== Contribution à la création d'un milieu anaérobie ===
La présence du fer permet d'une part une réaction avec le polluant. En outre, le fer réagit également avec l'eau du sol ou de la [[Nappe phréatique|nappe]]. L'environnement résultant s'appauvrit en [[dioxygène]] et s'enrichit en [[dihydrogène]]. Le déficit en dioxygène crée un milieu [[anaérobie]], où de nombreux micro-organismes peuvent proliférer, ces micro-organismes détachant les atomes de chlore des polluants pour les transformer en ions<ref name="Des nanoparticules de fer pour dépolluer les sols" />.

== Risques ==
La toxicité des nanoparticules de fer elles-mêmes est encore mal connue. Leur taille nanométrique est le facteur permettant d'augmenter très fortement la surface réactive et donc de minimiser le temps de dégradation des polluants ; mais elle permet aussi la traversée de la barrière cutanée et donc l'entrée de ces particules dans l'organisme<ref name="Des nanoparticules de fer pour dépolluer les sols" />.

== Notes et références ==
{{Références|taille=30}}

== Voir aussi ==
=== Bibliographie ===
{{Colonnes|taille=30|1=
* {{Article | langue = fr | prénom1 = Yann | nom1 = Sivry | nom3 = Simonnot | titre = Utilisation des nanoparticules de fer zéro-valent dans le traitement des boues d’épuration : bénéfice ou risque ? | périodique = Bulletin de veille scientifique | lien périodique = | éditeur = ANSES | lien éditeur = Agence nationale de sécurité sanitaire de l'alimentation, de l'environnement et du travail | numéro = 23 | année = 2014 | mois = mars | jour = | issn = 1950-4764 | pages = 15-19 | doi = | lire en ligne = https://bvs.anses.fr/sites/default/files/BVS-mg-023-Sivry.pdf | consulté le = 1er septembre 2023 | id = Yann Sivry 2014 | libellé = Yann Sivry 2014}}
* {{Ouvrage | langue = fr | prénom1 = Antoine | nom1 = Joubert | et alii = oui | titre = Traitement d’une zone source en TCE et CrVI par injection de nanoparticules de Fer Zéro Valent optimisées | éditeur = ADEME | lien éditeur = Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie | année = 2014 | mois = novembre | jour = 19 | lieu = [[Paris]] | pages totales = 4 | isbn = | doi = | lire en ligne = https://ineris.hal.science/ineris-01863926 | consulté le = 1er septembre 2023 | id = Joubert et alii 2014 | libellé = Joubert et alii 2014}}
* {{Ouvrage | langue = fr | prénom1 = Tanina | nom1 = Kabeche | titre = Procédé de traitement in situ des sites pollués par réduction chimique à l'aide de micro et nanoparticules de fer zérovalent | éditeur = Université de Lorraine | lien éditeur = Université de Lorraine | année = 2014 | mois = mars | jour = 27 | lieu = [[Nancy]] | pages totales = 286 | isbn = | doi = | lire en ligne = https://theses.hal.science/tel-01750680 | consulté le = 1er septembre 2023 | id = Tanina Kabeche 2014 | libellé = Tanina Kabeche 2014}}
* {{Ouvrage | langue = fr | prénom1 = Romain | nom1 = Rodrigues | titre = Mécanisme et cinétique de la déchloration réductrice de l’hexachlorobutadiène et de l’hexachloroéthane par action de réactifs à base de fer zéro-valent | éditeur = Université Toulouse 3 | lien éditeur = Université Toulouse-III-Paul-Sabatier | année = 2017 | mois = mars | jour = 27 | lieu = [[Toulouse]] | pages totales = 271 | isbn = | doi = | lire en ligne = https://theses.hal.science/tel-01798363v1 | consulté le = 1er septembre 2023 | id = Romain Rodrigues 2017 | libellé = Romain Rodrigues 2017}}
}}

{{Portail|Chimie|Environnement}}

[[Catégorie:Chimie environnementale]]
[[Catégorie:Composé du fer]]