Une nouvelle formule chimique « chasseuse-tueuse » permet de capturer et de détruire définitivement les substances chimiques
Une nouvelle membrane catalytique cible la liaison la plus forte de la chimie organique
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On les retrouve dans une poêle antiadhésive, une veste imperméable, un emballage de plats à emporter ou encore dans la mousse utilisée pour lutter contre les incendies. Surnommées « substances chimiques éternelles », ces substances sont omniprésentes dans la société moderne, où elles sont très prisées pour leur extrême durabilité et leur polyvalence. Cependant, leur attrait s'accompagne d'un revers : elles sont si durables qu'elles résistent à la dégradation, ce qui représente une menace pour la santé humaine et l'environnement.
Une membrane recouverte de palladium utilise l'hydrogène pour faciliter la dégradation des PFAS, ces « substances chimiques éternelles ».
Graphic by Jason Drees
Les substances per- et polyfluoroalkylées, ou PFAS, ont très tôt été largement utilisées dans des produits tels que le Téflon, un revêtement résistant à l’huile, à la chaleur, aux taches, à la graisse et à l’eau. Aujourd’hui, on les retrouve partout, des peintures et adhésifs aux meubles, moquettes, cosmétiques, semi-conducteurs et tissus imperméables. Malheureusement, elles sont également présentes dans l’eau, le sol, les aliments et même dans notre organisme.
Aujourd’hui, des chercheurs de l’université d’État de l’Arizona et leurs collègues internationaux s’attaquent au problème d’une nouvelle manière. Plutôt que de filtrer ces substances chimiques nocives de l’eau contaminée, ils ont mis au point une technique permettant de les détruire.
La plupart des traitements conventionnels des PFAS consistent à séparer ces substances chimiques de l’eau. Le charbon actif, l’échange d’ions et la filtration sur membrane permettent de capturer les PFAS, mais les contaminants restent présents dans les filtres usagés, les saumures ou les déchets concentrés, qui doivent encore être traités ou éliminés. La nouvelle approche vise à aller plus loin en décomposant ces substances chimiques plutôt que de simplement les déplacer ailleurs.
« Les PFAS sont difficiles à décomposer, et les procédés habituels que nous utilisons ne fonctionnent pas », a déclaré Bruce Rittmann, directeur du Biodesign Swette Center for Environmental Biotechnology, qui a dirigé l’étude.
Il est secondé par des collaborateurs de l’université Rice, au Texas ; de l’université Tongji, en Chine ; de l’université nationale de Singapour ; et de l’université de Nanjing, en Chine.
Ces travaux sont publiés dans le dernier numéro des Proceedings of the National Academy of Sciences.
Pourquoi les « chemicals éternels » persistent-ils ?
Les PFAS doivent leur persistance notoire à la liaison carbone-fluor. Dans bon nombre de ces composés, une chaîne d’atomes de carbone est presque entièrement entourée d’atomes de fluor, ce qui crée une structure chimique exceptionnellement résistante.
« On dit que c’est la liaison la plus forte de la chimie organique », a déclaré M. Rittmann.
Le fluor protégeant efficacement le squelette carboné, les processus biologiques et chimiques conventionnels ont du mal à trouver un point d’attaque pour commencer à décomposer la molécule.
« Il n’y a vraiment aucun point d’attaque pour commencer à la décomposer », a déclaré M. Rittmann.
La dégradation est difficile, mais pas impossible. L’hydrogène peut fournir l’énergie nécessaire pour attaquer les liaisons carbone-fluor, mais il doit d’abord être activé. Les chercheurs utilisent des nanoparticules de palladium comme catalyseurs pour convertir l’hydrogène gazeux en une forme hautement réactive capable d’extraire le fluor de la molécule de PFAS. Afin d’acheminer efficacement l’hydrogène, les chercheurs ont enrobé de minuscules fibres membranaires de nanoparticules de palladium et y ont fait passer de l’hydrogène gazeux.
Une technologie membranaire apparentée, mise au point par M. Rittmann et ses collègues, fournit de l’hydrogène à des bactéries dégradant les polluants. Dans la présente étude, les micro-organismes sont remplacés par du palladium, qui utilise l’hydrogène pour attaquer les PFAS.
La nouvelle étude a testé cette méthode sur six PFAS faisant l’objet de préoccupations réglementaires. « Nous avons démontré que ce mécanisme fonctionnait pour les six », a déclaré Rittmann. « C’est un mécanisme universel. »
Un héritage environnemental durable
La contamination par les PFAS est très répandue dans les eaux souterraines, les eaux usées et les sols. On observe souvent des concentrations particulièrement élevées à proximité des stations d’épuration, des décharges, des aéroports et des bases militaires où des mousses anti-incendie contenant des PFAS ont été utilisées. Ces substances chimiques peuvent également pénétrer dans les cultures et s’accumuler dans les poissons, le bétail et la faune sauvage, créant ainsi des voies supplémentaires d’exposition pour l’homme.
« Nous avons tous des PFAS dans notre organisme », a déclaré M. Rittmann. « Ils persistent dans l’environnement. Ils remontent la chaîne alimentaire, ce qui en fait un problème d’héritage majeur. » Cette persistance signifie que la contamination par les PFAS peut perdurer bien au-delà des utilisations qui en sont à l’origine.
L’exposition à certains PFAS a été associée à des cancers, des troubles thyroïdiens, des effets sur le système immunitaire, une baisse de la fertilité, des complications pendant la grossesse, des troubles du développement, l’obésité et un taux de cholestérol élevé. Deux types de PFAS — le PFOS et le PFOA — ont été inscrits sur la liste de la Convention de Stockholm sur les polluants organiques persistants. Mais les risques posés par la famille plus large des PFAS restent difficiles à évaluer, car il existe des milliers de composés et seule une petite fraction d’entre eux a fait l’objet de tests de toxicité approfondis.
Une « rencontre » moléculaire
La membrane catalytique fonctionne en réunissant les molécules de PFAS et l’hydrogène hautement réactif à la surface du catalyseur au palladium. L’hydrogène traverse la membrane et est attiré par le palladium, où les molécules d’hydrogène gazeux se divisent en atomes d’hydrogène individuels. Les molécules de PFAS provenant de l’eau environnante se fixent également à la surface du palladium.
« Le palladium attire la molécule de PFAS, puis il attire l’hydrogène et les met en contact », explique M. Rittmann.
Une fois le polluant et l’hydrogène réactif côte à côte, le palladium agit comme un catalyseur, permettant une réaction rapide qui rompt les liaisons carbone-fluor tenaces.
Le mode d’apport de l’hydrogène est également déterminant. Plutôt que de simplement mélanger de l’hydrogène à l’eau, les chercheurs l’introduisent depuis l’intérieur de la membrane directement à la base de la couche de palladium.
Cet apport «de l’intérieur vers l’extérieur» constitue l’une des avancées majeures de l’étude : la membrane ne se contente pas de capturer les PFAS à sa surface. Elle fournit également l’hydrogène réactif nécessaire pour démanteler chimiquement les molécules une fois qu’elles y parviennent.
Pendant près de deux mois, le système a traité en continu de l’eau contenant un mélange de six PFAS. Il a éliminé plus de 90 % de chaque composé et retiré environ 83 % du fluor au total, démontrant ainsi que les polluants étaient chimiquement décomposés plutôt que simplement filtrés.
Vers une utilisation concrète
L’essai de 58 jours a démontré que le système pouvait fonctionner en continu, mais la transposition de cette technologie en une solution pratique de traitement de l’eau nécessitera des travaux d’ingénierie supplémentaires. L’un des obstacles pratiques est le coût. M. Rittmann a indiqué que la réduction de la quantité de palladium nécessaire figurait parmi les principales priorités de recherche du groupe.
« Le palladium est cher », a-t-il déclaré. « Il coûte environ 50 000 dollars le kilogramme. »
À terme, cette technologie pourrait venir compléter les systèmes existants d’élimination des PFAS. Un traitement conventionnel pourrait d’abord concentrer les contaminants issus de grands volumes d’eau en un flux de déchets plus restreint, qui pourrait ensuite être traité pour détruire les PFAS plutôt que de simplement les stocker ou les éliminer.
Cette même plateforme à membrane pourrait également avoir des applications plus larges. Le groupe de M. Rittmann développe actuellement des versions hybrides combinant des nanoparticules de palladium et des bactéries dégradant les polluants. Le palladium et les micro-organismes s’attaquent aux contaminants de différentes manières, offrant ainsi au système deux voies pour les décomposer. « Nous avons démontré que cela fonctionne également », a déclaré Rittmann.
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.
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