Filtre PFAS d'un broyeur à boulets
Une équipe de chercheurs est en train de mettre au point un matériau respectueux de l'environnement qui pourrait aider à éliminer ces "produits chimiques à vie"
Les PFAS sont des composés fluorés que l'on retrouve dans de nombreux produits de la vie courante, tels que les vêtements d'extérieur et les ustensiles de cuisine comme les poêles en téflon. Les PFAS sont en effet durables, résistants à la chaleur et à la saleté. C'est justement leur stabilité qui pose problème : bien que potentiellement nocives pour la santé, ces substances sont à peine décomposées dans l'environnement et sont considérées comme des "produits chimiques éternels". Les PFAS se retrouvent également dans les eaux usées. Elles peuvent être éliminées par filtration, mais il s'agit d'un processus laborieux. Une équipe dirigée par l'Institut fédéral de recherche et d'essai des matériaux (BAM) a mis au point un nouveau matériau filtrant basé sur une technique de production inhabituelle. Des expériences cruciales ont été menées à la source de rayons X PETRA III de DESY afin d'optimiser le processus. Le groupe de travail présente ses résultats dans la revue small.
Les candidats à ce nouveau matériau filtrant sont connus sous le nom de "cadres organiques covalents". Les pores de ces COF ne mesurent que quelques nanomètres, de sorte que les molécules de PFAS restent littéralement coincées à l'intérieur. Les échafaudages à l'échelle nanométrique peuvent être fabriqués à l'aide d'une technique originale, en les broyant dans un type de moulin spécial. En laboratoire, nous utilisons un petit cylindre en plastique de la taille d'une boîte de film", explique Franziska Emmerling, chercheuse au BAM. Nous y plaçons de la poudre, une goutte de solvant et deux billes d'acier de la taille d'un grain de poivre.
Un dispositif spécial agite ensuite ce moulin à billes plus de 30 fois par seconde, ce qui a pour effet de broyer son contenu. Dans un premier temps, les granulés de poudre deviennent plus petits, ce qui augmente leur surface. Après quelques minutes, la chaleur de friction, l'augmentation de la pression et l'énergie cinétique déclenchent une réaction chimique. Les particules finement broyées se combinent pour former des structures plus grandes, des échafaudages qui peuvent agir comme un filtre. Cette branche peu connue de la fabrication de produits chimiques est connue sous le nom de mécanochimie.
Il s'agit en fait d'une histoire assez ancienne. La mécanochimie a probablement déjà joué un rôle dans l'Antiquité", explique Martin Etter, physicien à DESY. Les premières substances pharmaceutiques destinées aux médicaments ont probablement été libérées ou même formées par des réactions chimiques lorsque des plantes étaient broyées dans un mortier. Aujourd'hui, les processus mécano-chimiques sont utilisés dans l'industrie pour synthétiser des médicaments, des catalyseurs et des matériaux fonctionnels. Comme elles ne nécessitent normalement pas de grandes quantités de solvants toxiques et qu'elles requièrent relativement peu d'énergie, ces méthodes sont considérées comme durables et respectueuses de l'environnement.
Mais quelle est la méthode la plus efficace pour produire des cadres filtrants à l'aide d'un broyeur à billes ? Pour le savoir, le groupe de recherche de Hambourg a étudié le processus en utilisant le faisceau de rayons X focalisé de haute intensité produit par PETRA III. Pendant que le broyeur était en action, le faisceau a scanné son contenu toutes les dix secondes et a pu déterminer la structure des cristaux. Le motif produit par les deux matériaux de départ au niveau de notre détecteur est différent de celui du produit chimique formé par la réaction chimique", explique M. Etter. Nous avons pu observer, en temps réel, les motifs des deux produits chimiques de départ devenir de plus en plus faibles, alors qu'en même temps le motif du nouveau produit chimique commençait à apparaître - celui des structures de la charpente".
Pour identifier les paramètres optimaux du processus, l'équipe a fait varier un certain nombre de facteurs, notamment la fréquence d'agitation du broyeur à billes et la quantité de solvant ajoutée. Les résultats ont montré que les meilleurs échafaudages étaient obtenus à une fréquence de 36 hertz, en utilisant 266 milligrammes de poudre et en ajoutant 250 microlitres de solvant - quelques gouttes seulement. Contrairement à d'autres structures déjà utilisées comme filtres, le nouveau matériau ne contient pas de métaux lourds et serait donc plus respectueux de l'environnement.
Bien que l'on ne sache pas encore très bien comment les filtres à PFAS potentiels pourraient être fabriqués à l'échelle industrielle, Martin Etter a déjà quelques idées quant à leur utilisation éventuelle. Dans les stations d'épuration des eaux usées des entreprises qui fabriquent des produits chimiques à base de PFAS, par exemple", explique le physicien. Et peut-être qu'un jour, ils pourraient même être intégrés dans les robinets ordinaires pour filtrer notre eau potable".
La recherche sur la mécanochimie se poursuivra à DESY. Les experts fondent de grands espoirs sur PETRA IV, le successeur prévu de la source de rayons X actuelle. PETRA IV fournira un faisceau de rayons X nettement plus fin et plus étroitement collimaté, ce qui devrait accélérer considérablement les mesures. Cela signifie que nous ne pourrons plus prendre une image toutes les dix secondes, mais peut-être dix images par seconde", s'enthousiasme M. Etter. Cela nous permettrait, par exemple, d'observer des processus chimiques qui se déroulent très rapidement et au cours desquels des structures intermédiaires de courte durée sont formées.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Maroof Arshadul Hoque, Thomas Sommerfeld, Jan Lisec, Prasenjit Das, Carsten Prinz, Christian Heinekamp, Tomislav Stolar, Martin Etter, David Rosenberger, Janine George, Biswajit Bhattacharya, Franziska Emmerling; "Mechanochemically Synthesized Covalent Organic Framework Effectively Captures PFAS Contaminants"; Small, 2025-9-18
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