Plasma contre les produits chimiques PFAS toxiques
"Idéalement, les substances PFAS nocives sont éliminées jusqu'à ce qu'elles ne puissent plus être détectées par des mesures de spectrométrie de masse"
Des produits chimiques PFAS nocifs peuvent désormais être détectés dans de nombreux sols et plans d'eau. Les éliminer à l'aide de techniques de filtrage conventionnelles est coûteux et presque irréalisable. Les chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour l'ingénierie interfaciale et la biotechnologie (IGB) mettent actuellement en œuvre avec succès une technologie basée sur le plasma dans le cadre du projet de recherche commun AtWaPlas. L'eau contaminée est introduite dans un cylindre en verre et en acier inoxydable où elle est traitée avec un gaz ionisé, c'est-à-dire du plasma. Les chaînes moléculaires des PFAS sont ainsi réduites, ce qui permet d'éliminer la substance toxique à moindre coût.
L'atmosphère de plasma est clairement visible dans le réacteur par la lueur caractéristique et les éclairs de lumière.
© Fraunhofer IGB
Les substances per- et polyfluoroalkyles (PFAS) ont de nombreuses propriétés particulières. Comme elles sont thermiquement et chimiquement stables et qu'elles résistent à l'eau, à la graisse et à la saleté, on les retrouve dans un grand nombre de produits de la vie courante : Les boîtes à pizza et le papier sulfurisé en sont recouverts, par exemple, et les shampooings et les crèmes contiennent également des PFAS. Dans l'industrie, ils servent d'agents extincteurs et mouillants, et dans l'agriculture, ils sont utilisés dans les produits phytosanitaires. Cependant, des traces de PFAS sont désormais détectées là où elles ne devraient pas se trouver : dans le sol, les rivières et les nappes phréatiques, dans les aliments et dans l'eau potable. C'est ainsi que ces substances nocives se retrouvent dans le corps humain. En raison de leur stabilité chimique, l'élimination de ces "produits chimiques à vie" s'est avérée pratiquement impossible jusqu'à présent, sans efforts et dépenses considérables.
Le projet de recherche commun AtWaPlas vise à changer cela. L'acronyme signifie Atmospheric Water Plasma Treatment (traitement par plasma de l'eau atmosphérique). Ce projet novateur est actuellement mené par l'Institut Fraunhofer pour l'ingénierie interfaciale et la biotechnologie (IGB) de Stuttgart, en coopération avec le partenaire industriel HYDR.O. Geologen und Ingenieure GbR d'Aix-la-Chapelle. L'objectif est de traiter et de récupérer l'eau contaminée par les PFAS à l'aide d'un traitement au plasma.
L'équipe de recherche dirigée par le Dr Georg Umlauf, expert en surfaces et matériaux fonctionnels, utilise la capacité du plasma à attaquer les chaînes moléculaires des substances. Le gaz conducteur d'électricité composé d'électrons et d'ions est généré par l'application d'une haute tension. "Nos expériences avec le plasma ont permis de raccourcir les chaînes moléculaires des PFAS dans l'eau. Il s'agit d'une étape importante vers l'élimination efficace de ces polluants tenaces", se réjouit M. Umlauf.
Le cycle de l'eau dans un cylindre en acier inoxydable
Les chercheurs du Fraunhofer utilisent une construction cylindrique pour ce processus plasma. À l'intérieur se trouve un tube en acier inoxydable, qui sert d'électrode de masse du circuit électrique. Le treillis extérieur en cuivre sert alors d'électrode haute tension et est protégé à l'intérieur par un diélectrique en verre. Un très petit espace est laissé entre les deux, qui est rempli d'un mélange d'air. Ce mélange d'air est transformé en plasma lorsqu'une tension de plusieurs kilovolts est appliquée. Il est visible à l'œil humain par sa lueur caractéristique et sa décharge sous forme d'éclairs de lumière.
Au cours du processus de purification, l'eau contaminée par les PFAS est introduite au fond du réservoir en acier inoxydable et pompée vers le haut. Elle descend ensuite par l'espace entre les électrodes, traversant l'atmosphère de plasma électriquement actif. Le plasma brise et raccourcit les chaînes de molécules de PFAS au fur et à mesure qu'il se décharge. L'eau est pompée à plusieurs reprises à travers le réacteur en acier et la zone de décharge du plasma dans un circuit fermé, réduisant chaque fois davantage les chaînes de molécules PFAS jusqu'à ce qu'elles soient complètement minéralisées. "Idéalement, les substances PFAS nocives sont éliminées jusqu'à ce qu'elles ne puissent plus être détectées par des mesures de spectrométrie de masse. Cette méthode est également conforme aux réglementations strictes de l'ordonnance allemande sur l'eau potable (TrinkwV) concernant les concentrations de PFAS", explique M. Umlauf.
La technologie développée par l'Institut Fraunhofer présente un avantage clé par rapport aux méthodes conventionnelles telles que le filtrage au charbon actif : "Les filtres à charbon actif peuvent lier les substances nocives, mais ils ne peuvent pas les éliminer. Cela signifie que les filtres doivent être remplacés et éliminés régulièrement. La technologie AtWaPlas, en revanche, est capable d'éliminer complètement les substances nocives sans aucun résidu, elle est très efficace et nécessite peu d'entretien", explique M. Umlauf, expert du Fraunhofer.
Des échantillons d'eau réels au lieu d'échantillons synthétiques de laboratoire
Afin de s'assurer de la faisabilité réelle du projet, les chercheurs du Fraunhofer testent la purification du plasma dans des conditions plus difficiles. Les méthodes d'essai classiques consistent à utiliser de l'eau parfaitement propre et des solutions PFAS qui ont été mélangées synthétiquement en laboratoire. Cependant, l'équipe de recherche de Stuttgart utilise de "vrais" échantillons d'eau provenant de zones contaminées par des PFAS. Les échantillons sont collectés par le partenaire du projet, HYDR.O. Geologen und Ingenieure GbR d'Aix-la-Chapelle. Cette entreprise est spécialisée dans l'assainissement des sites contaminés et réalise également des simulations hydrodynamiques.
Les échantillons d'eau réels avec lesquels Umlauf et son équipe travaillent contiennent donc des PFAS ainsi que d'autres particules, des solides en suspension et une turbidité organique. "C'est ainsi que nous vérifions l'efficacité de l'épuration d'AtWaPlas, non seulement à l'aide d'échantillons synthétiques de laboratoire, mais aussi dans des conditions réelles avec des qualités d'eau changeantes. Les paramètres du processus peuvent être adaptés et développés en même temps", explique M. Umlauf.
Cette méthode plasma peut également être utilisée pour décomposer d'autres substances nocives, notamment les résidus pharmaceutiques dans les eaux usées, les pesticides et les herbicides, mais aussi les produits chimiques industriels tels que les cyanures. AtWaPlas peut également être utilisé pour traiter l'eau potable dans des applications mobiles de manière écologique et rentable.
Le projet de recherche commun AtWaPlas a été lancé en juillet 2021. Après une série réussie d'essais à l'échelle pilote avec un réacteur de 5 litres, l'équipe Fraunhofer travaille maintenant avec le partenaire de recherche commun pour optimiser davantage le processus. Georg Umlauf déclare : "Notre objectif actuel est d'éliminer complètement les PFAS toxiques en prolongeant la durée du processus et en augmentant le nombre de circulations dans le réservoir. Nous voulons également rendre la technologie AtWaPlas disponible pour une application pratique à plus grande échelle." À l'avenir, des installations correspondantes pourraient être mises en place en tant qu'étapes de purification autonomes dans les stations d'épuration ou utilisées dans des conteneurs portables sur des sites contaminés en plein air.
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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