Des particules colorées de plastique dérivent sous la surface de la plupart des cours d’eau, des cours d’eau d’amont à l’océan Arctique. Ces microplastiques à peine visibles – moins de 5 mm de large – sont potentiellement nocifs pour les animaux et les plantes aquatiques, ainsi que pour les humains. Ainsi, les chercheurs imaginent des moyens de les éliminer et de les arrêter à leur source. Aujourd’hui, une équipe rapporte un appareil à deux étages composé de tubes en acier et d’ondes sonores pulsées qui élimine la plupart des particules de plastique des vrais échantillons d’eau.
Les chercheurs présenteront leurs résultats lors de la réunion de printemps de l’American Chemical Society (ACS). ACS Spring 2023 est une réunion hybride qui se tiendra virtuellement et en personne du 26 au 30 mars.
« L’idée est venue d’une discussion avec un collègue qui a dit que nous avions besoin de nouvelles façons de collecter les microplastiques de l’eau », explique Menake Piyasena, Ph.D., chercheur principal du projet. « Parce que les forces acoustiques peuvent pousser les particules ensemble, je me demandais si nous pouvions les utiliser pour agréger les microplastiques dans l’eau, rendant le plastique plus facile à enlever. »
La filtration est la technique la plus couramment utilisée pour éliminer ces matériaux de l’eau. Par exemple, les filtres de sortie de machine à laver peuvent empêcher les fibres qui se détachent des vêtements pendant le lavage de pénétrer dans les eaux usées. Mais cette méthode peut être coûteuse à grande échelle, nécessitant un nettoyage régulier des filtres, qui peuvent se boucher.
Une autre option pourrait être de concentrer les particules de plastique dans l’eau qui coule avec des forces acoustiques, ou des ondes sonores, qui transfèrent de l’énergie aux particules voisines, provoquant la vibration et le déplacement de certaines d’entre elles. Pensez simplement à un haut-parleur jouant de la musique forte qui secoue le sol, faisant rebondir des particules de poussière et de saleté les unes vers les autres. Les scientifiques ont déjà utilisé ce phénomène pour séparer les particules biologiques des liquides, comme les globules rouges du plasma.
Récemment, certaines équipes ont appliqué cette approche à la séparation des microplastiques à partir d’échantillons qu’elles ont préparés en laboratoire avec de l’eau pure. Mais ce travail a été fait avec de minuscules volumes d’eau. Ils ont également utilisé des microplastiques qui ne faisaient que quelques dizaines de microns de large, soit plus petits que la largeur d’un cheveu humain, explique Nelum Perera, un étudiant diplômé du laboratoire de Piyasena à New Mexico Tech.
« J’ai lu que la plupart des microplastiques dans l’environnement sont plus gros que cela », explique Perera, qui présente le travail. « Donc, je voulais développer un appareil qui pourrait être utile pour la plupart des tailles et qui pourrait être mis à l’échelle pour atteindre des objectifs réels. »
Pour s’adapter à des débits d’eau plus élevés, Perera a créé un dispositif de preuve de concept avec des tubes en acier de 8 mm de large connectés à un tube d’entrée et à plusieurs tubes de sortie. Puis elle a attaché un transducteur sur le côté du tube métallique. Lorsque le transducteur était allumé, il générait des ondes ultrasonores à travers le tube métallique, appliquant des forces acoustiques sur les microplastiques lors de leur passage dans le système, ce qui les rendait plus faciles à capturer. Le dispositif prototype est relativement simple par rapport aux méthodes de filtration traditionnelles, explique Piyasena, car il ne se bouche pas aussi facilement qu’un filtre.
Lors d’expériences initiales avec des microplastiques de polystyrène, de polyéthylène et de polyméthacrylate de méthyle, les chercheurs ont découvert que les particules plus petites (6 à 180 µm de large) se comportaient différemment des plus grosses (180 à 300 µm de large) en présence de forces acoustiques. . Piquées dans de l’eau pure, des particules des deux tailles disposées le long du centre du canal, sortent par la sortie médiane, tandis que de l’eau propre s’écoulait par les sorties environnantes. Mais si un détergent à lessive ou un assouplissant était ajouté à l’eau, les plus grosses particules se concentraient vers les côtés, sortant par les sorties latérales, et purifiaient l’eau par la sortie centrale.
Sur la base de ces résultats, les chercheurs ont entrepris de développer un système qui pourrait tirer parti de ces différents mouvements. Ils ont connecté deux tubes en acier en tandem : la première étape a capturé les petits microplastiques de moins de 180 µm de large, et le flux d’eau avec les microplastiques plus gros restants est allé à la deuxième étape pour être nettoyé. « Nous avons éliminé plus de 70 % des petits plastiques et plus de 82 % des gros de cette façon », explique Perera.
Pour montrer que le système en deux étapes pouvait fonctionner pour des applications réelles, Perera et Piyasena ont collecté de l’eau d’un étang sur le campus de New Mexico Tech et de la rivière Rio Grande. Ils ont filtré tous les échantillons pour éliminer les gros contaminants, laissant derrière eux de l’eau qui contenait encore des substances dissoutes qui auraient pu affecter la séparation. Ensuite, ils ont dopé l’eau avec des microplastiques. Lorsque les échantillons d’eau environnementale sont passés à travers le dispositif acoustique, les particules de plastique ont été éliminées aussi efficacement que de l’eau pure. Avec ce prototype, Perera estime qu’il en coûterait environ 7 centimes pour faire fonctionner l’appareil actuel pendant une heure et qu’il faudrait environ une heure et demie pour nettoyer un litre d’eau.
La prochaine étape de l’équipe consiste à développer un système avec des tubes plus larges, ou des faisceaux de plusieurs tubes, et à l’essayer sur des échantillons du monde réel non dopés, y compris l’eau de mer et les eaux usées des machines à laver. « Nous avons montré que les forces acoustiques peuvent être utilisées pour concentrer une large gamme de tailles de microplastiques », explique Piyasena. « Et à partir de là, nous voulons prouver que cela peut être fait à plus grande échelle avec de vrais échantillons contenant déjà des microplastiques. »
Plus d’information:
ACS printemps 2023 : élimination des microplastiques pertinents pour l’environnement à l’aide de forces acoustiques et de tubes en acier, www.acs.org/meetings/acs-meetings/spring-2023.html