De nouvelles solutions au problème des PFAS
Une équipe de recherche met au point des méthodes pour décomposer les « substances chimiques éternelles »
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Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ont mis au point deux nouveaux procédés : en recourant à la cavitation hydrodynamique et au plasma atmosphérique froid associés à la dispersion de gaz, ils cherchent à décomposer les substances per- et polyfluoroalkylées (PFAS), des produits chimiques industriels extrêmement résistants à la dégradation chimique. Pour soutenir ces travaux, des experts du Centre Helmholtz pour la recherche environnementale (UFZ) ont mené des analyses qui ont confirmé la dégradation des PFAS et la libération de fluorure. Une fois arrivés à maturité commerciale, ces procédés pourraient être utilisés dans l’industrie, ce qui réduirait considérablement les rejets de PFAS dans les cours d’eau.
Si certains PFAS sont soupçonnés d’altérer le matériel génétique et d’augmenter le risque de cancer, les effets biologiques de nombreux autres restent inconnus. Ce groupe de substances comprend plus de 10 000 produits chimiques industriels à chaîne courte et à chaîne longue qui doivent leur résistance chimique exceptionnelle à leurs liaisons carbone-fluor très stables. Les PFAS pénètrent dans les rivières et les océans via les eaux usées et se propagent à l’échelle mondiale. Des concentrations élevées de PFAS ont également été détectées récemment dans l’Elbe, ce qui représente un danger potentiel pour la santé des plantes, des animaux et des êtres humains.
Dans le cadre de la « Stratégie nationale de l’eau », qui vise à garantir l’approvisionnement en eau potable de l’Allemagne et à protéger ses cours d’eau, des chercheurs du HZDR étudient comment réduire la pollution des cours d’eau et, plus précisément, comment dégrader systématiquement ces « substances chimiques éternelles ». Dans le cadre d’une étude préliminaire lancée en 2022, une équipe de recherche dirigée par la chercheuse postdoctorale Dr Ysabel Huaccallo-Aguilar a utilisé un procédé appelé cavitation hydrodynamique pour dégrader les PFAS.
La cavitation brise les liaisons stables
« Dans le cadre de la cavitation hydrodynamique, nous faisons passer de l’eau enrichie en PFAS à travers un rétrécissement, ce qui génère de petites bulles de vapeur », explique le Dr Sebastian Reinecke, directeur du département des technologies de l’eau et de l’environnement au HZDR. Les PFAS à longue chaîne étant tensioactifs, ils se fixent aux bulles. « Lorsque les bulles éclatent sous l’effet de la pression ambiante croissante dans l’eau en aval du rétrécissement, les PFAS qui y sont fixés sont exposés à des pics de température locaux de plusieurs milliers de degrés Celsius », précise M. Reinecke. Parallèlement, la cavitation produit des radicaux hydroxyles hautement réactifs qui réagissent de manière non spécifique avec les substances environnantes. « Notre hypothèse est qu’ils attaquent les produits intermédiaires, ce qui accélère considérablement la dégradation des PFAS. »
Ysabel Huaccallo-Aguilar et ses collègues ont pu démontrer que ce processus décomposait effectivement les PFAS présents dans l’eau du robinet tout en minéralisant le fluor lié organiquement. Plus la durée du traitement était longue, plus l’augmentation continue de la concentration en fluorure dans la solution était importante. Pour leurs expériences, les chercheurs ont utilisé le sulfonate de perfluorooctane (PFOS), un composé particulièrement persistant et bien étudié du groupe des PFAS. À la fin de l’expérience, ils ont réussi à dégrader environ 37 % des molécules de PFOS dissoutes à un taux de dégradation stable. « Nous menons actuellement des expériences de suivi afin d’augmenter le taux de dégradation », explique Reinecke. « Notre objectif est d’améliorer le procédé pour atteindre un taux de dégradation supérieur à 80 % des PFAS présents dans la solution et de minéraliser plus de 50 % du fluor lié dans ces substances chimiques – c’est-à-dire de rompre les liaisons carbone-fluor caractéristiques des PFAS. »
Dégradation efficace des PFAS grâce à des espèces plasmatiques hautement réactives
Dans une autre série d’expériences, l’ingénieur en environnement Amit Kumar a utilisé un plasma atmosphérique froid associé à une dispersion de gaz pour dégrader les PFAS. L’avantage de ce procédé est qu’il fonctionne dans des conditions ambiantes et ne nécessite ni catalyseurs ni produits chimiques supplémentaires. Dans le cadre de sa thèse de doctorat, Amit Kumar avait déjà étudié des méthodes de dégradation des micropolluants à l’aide des espèces chimiques réactives générées dans le plasma. Il a désormais appliqué ses résultats à cette expérience. « Nous avons généré du plasma à la surface de l’eau tout en introduisant simultanément du gaz dans l’eau contaminée par des PFAS », explique Sebastian Reinecke, décrivant le dispositif expérimental. « Les PFAS se fixent à la surface des bulles de gaz. À mesure qu’elles remontent, l’eau est constamment mise en circulation. Cela amène les PFAS à la surface, où ils sont décomposés dans le plasma. »
Cette méthode a permis de dégrader presque entièrement les PFAS à chaîne longue comme ceux à chaîne courte. Environ 35 % des atomes de fluor liés à ces « substances chimiques éternelles » ont été libérés sous forme de sels de fluorure. « Si cette méthode présente une cinétique de réaction nettement plus rapide que la cavitation, elle consomme également beaucoup plus d’énergie par unité de volume », note Sebastian Reinecke. « De plus, le procédé génère de nombreux produits de transformation que nous n’avons pas encore pu étudier en détail – par exemple, des composés gazeux qui se forment au cours de la réaction. » Les chercheurs mènent actuellement d’autres séries d’essais afin de déterminer si le procédé produit des substances susceptibles de présenter un risque pour la santé et, le cas échéant, comment l’éviter.
Synergies issues de la combinaison du plasma et de la cavitation
Les chercheurs s’efforcent actuellement d’adapter le procédé à des volumes d’eau contaminée plus importants. À l’aide de plusieurs électrodes et d’un injecteur de gaz technique, ils augmentent progressivement le volume de réaction, qui passe d’environ 50 millilitres à cinq litres. L’objectif est de combiner la technologie du plasma avec la cavitation. « Je pense que nous obtiendrons des taux de dégradation élevés en combinant les espèces hautement réactives issues du plasma avec les effets de la cavitation », explique Reinecke. S’ils parviennent à fusionner les avantages des deux méthodes en une seule approche, ils pourraient créer une toute nouvelle technologie efficace d’élimination des PFAS dans les eaux contaminées.
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Publication originale
Amit Kumar, Ysabel Huaccallo-Aguilar, Holger Kryk, et al.; "Enhanced degradation and defluorination of perfluorooctane sulfonate (PFOS) in tap water using gas-dispersed cold atmospheric plasma"; Scientific Reports, Volume 16, 2026-6-13
Amit Kumar, Anett Georgi, Ysabel Huaccallo-Aguilar, et al.; "Degradation and defluorination of perfluorooctane sulfonate (PFOS) forever chemical in water using hydrodynamic cavitation treatment"; Chemical Engineering Journal Advances, Volume 25
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