Détruire efficacement les PFAS à chaîne courte
Une équipe de l'UFZ développe un procédé pour éliminer l'acide perfluorobutanoïque de l'eau
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Les composés alkylés perfluorés et polyfluorés (PFAS) à chaîne courte, comme l'acide perfluorobutanoïque (PFBA), se retrouvent de plus en plus dans l'environnement par différentes voies et polluent les nappes phréatiques et l'eau potable. Comme ils sont très mobiles, il était jusqu'à présent très difficile de les éliminer. Une équipe de chercheurs du Centre Helmholtz pour la recherche environnementale (UFZ) a développé une nouvelle technologie grâce à un procédé électrochimique en deux étapes. Comme l'écrivent les chercheurs de l'UFZ dans le Chemical Engineering Journal, le nouveau procédé est plus respectueux de l'environnement et consomme moins d'énergie.
Au cours du processus de l'UFZ, les PFAS sont d'abord séparés et enrichis par électrosorption (étape 1), puis détruits par électrooxydation (étape 2). Il reste principalement du CO2 et du fluorure.
Susan Walter-Pantzer / UFZ
Il existe actuellement environ 10.000 substances PFAS, dont 4.000 à 5.000 sont utilisées dans l'industrie - dans la fabrication de vêtements de plein air, d'emballages alimentaires, de poêles, de cosmétiques et bien d'autres. De nombreux PFAS, par exemple dans les mousses anti-incendie, se retrouvent dans l'environnement et ne se dégradent que très lentement, voire pas du tout. Ils constituent une menace pour la santé humaine, car ils ont des effets sur le métabolisme, l'équilibre hormonal, la reproduction et le système immunitaire et sont soupçonnés d'être cancérigènes. De nombreux PFAS à longues chaînes de carbone ont donc déjà été réglementés par la Convention de Stockholm, ce qui signifie que leur production et leur utilisation sont interdites ou limitées. L'industrie les a ensuite remplacés par des PFAS à chaîne courte, ce qui a eu pour conséquence que les PFAS à chaîne courte, comme l'acide perfluorobutanoïque (PFBA), sont de plus en plus souvent détectés dans l'environnement. Le PFBA ne comporte que quatre atomes de carbone et possède un groupe carboxyle à l'extrémité de la molécule, qui attire fortement l'eau. "C'est pourquoi le PFBA se dissout très bien dans l'eau et est très mobile. C'est pourquoi il est difficile d'éliminer le PFBA de l'eau par des procédés courants comme l'adsorption sur charbon actif", explique le Dr Anett Georgi, chimiste à l'UFZ et auteur de l'étude.
Pour éliminer le PFBA dans l'eau, l'équipe de recherche de l'UFZ a mis au point un procédé de purification électrochimique en deux étapes, au cours duquel le PFBA est d'abord enrichi puis détruit. Voici comment cela se passe : Dans un premier temps, de grandes quantités d'eau contenant du PFBA sont acheminées par électro-adsorption à travers une cellule à circulation munie d'une électrode en fibre de charbon actif non tissé de type textile. Celui-ci est légèrement chargé positivement. "Le PFBA chargé négativement se dépose ainsi à la surface du charbon actif", explique le Dr Navid Saeidi, premier auteur et ingénieur environnemental de l'UFZ. En inversant la polarité de la tension, le PFBA est ensuite à nouveau détaché de la surface, rincé avec un petit volume d'eau et recueilli sous forme de concentré. La concentration de PFBA peut alors être multipliée par 40. Grâce à une disposition en cascade des cellules d'électro-sorption, cet enrichissement peut être répété plusieurs fois. Dans la deuxième étape du processus, le PFBA est détruit par électrooxydation sur une électrode en diamant dopée au bore - c'est-à-dire par une purification chimique de l'eau déclenchée par un courant électrique. L'anode a un effet fortement oxydant et provoque la décomposition du PFBA. Le produit de dégradation qui reste est principalement le fluorure, facilement séparable.
"Toutes les étapes peuvent être réalisées sur le lieu d'utilisation, ce qui réduit les coûts de transport et la dépense d'énergie est faible", indique Anett Georgi en citant deux avantages du procédé. De plus, comme l'adsorption des PFBA est contrôlée par l'application d'une tension électrique, le non-tissé d'adsorption en charbon actif peut être régénéré en permanence et donc utilisé plusieurs fois, contrairement à d'autres procédés où le charbon actif enrichi en PFAS doit être éliminé dans des usines d'incinération des déchets ou reconstitué à grand renfort d'énergie. "Cela permet non seulement de préserver les ressources fossiles, mais aussi de réduire la consommation de CO2, car le charbon actif est souvent extrait de la houille et importé principalement d'Asie", ajoute Anett Georgi.
Les scientifiques de l'UFZ voient des possibilités d'application pour leur procédé, qui a déjà fait l'objet d'une demande de brevet, notamment partout où les PFAS doivent être éliminés des flux d'eaux usées communales et industrielles - par exemple dans les aéroports, où la nappe phréatique est contaminée par des PFAS à chaîne courte et longue en raison de l'utilisation de mousses anti-incendie. "Comme les opérateurs doivent respecter des limites de plus en plus strictes en matière de PFAS, il faut des technologies d'élimination plus efficaces et durables qui, comme notre méthode, soient fiables, respectueuses de l'environnement et abordables. En cas de contamination complexe par des PFAS, elle pourrait compléter les adsorbeurs classiques à charbon actif et piéger les PFAS à chaîne courte", explique le Dr Katrin Mackenzie, co-auteur et chimiste à l'UFZ. Cela signifierait pour l'ensemble de l'unité d'adsorption une durée d'utilisation nettement plus longue et donc une économie de coûts.
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