Les PFAS, un groupe de produits chimiques manufacturés couramment utilisés depuis les années 1940, sont appelés «produits chimiques éternels» pour une raison. Les bactéries ne peuvent pas les manger; le feu ne peut pas les incinérer ; et l’eau ne peut pas les diluer. Et, si ces produits chimiques toxiques sont enterrés, ils s’infiltrent dans le sol environnant, devenant un problème persistant pour les générations à venir.
Maintenant, les chimistes de l’Université Northwestern ont fait ce qui semblait impossible. À l’aide de basses températures et de réactifs courants peu coûteux, l’équipe de recherche a mis au point un processus qui provoque l’effondrement de deux grandes classes de composés PFAS, ne laissant derrière eux que des produits finaux bénins.
Cette technique simple pourrait potentiellement être une solution puissante pour enfin éliminer ces produits chimiques nocifs, qui sont liés à de nombreux effets dangereux sur la santé des humains, du bétail et de l’environnement.
« Le PFAS est devenu un problème de société majeur », a déclaré William Dichtel de Northwestern, qui a dirigé l’étude. « Même une toute petite quantité de PFAS a des effets négatifs sur la santé et ne se décompose pas. Nous ne pouvons pas simplement attendre que ce problème soit résolu. Nous voulions utiliser la chimie pour résoudre ce problème et créer une solution que le monde peut utiliser. . C’est excitant de voir à quel point notre solution est simple, mais méconnue.
Dichtel est professeur de chimie Robert L. Letsinger au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern. Brittany Trang, qui a mené le projet dans le cadre de sa thèse de doctorat récemment achevée dans le laboratoire de Dichtel, est la co-première auteur de l’article.
« La même catégorie que le plomb »
Abréviation de substances per- et polyfluoroalkyles, les PFAS sont utilisés depuis 70 ans comme agents antiadhésifs et imperméabilisants. On les trouve couramment dans les ustensiles de cuisine antiadhésifs, les cosmétiques imperméables, les mousses anti-incendie, les tissus hydrofuges et les produits résistants à la graisse et à l’huile.
Au fil des ans, cependant, le PFAS a fait son chemin hors des biens de consommation et dans notre eau potable et même dans le sang de 97 % de la population américaine. Bien que les effets sur la santé ne soient pas encore entièrement compris, l’exposition aux PFAS est fortement associée à une diminution de la fertilité, des effets sur le développement chez les enfants, des risques accrus de divers types de cancer, une immunité réduite pour combattre les infections et une augmentation du taux de cholestérol. Avec ces effets néfastes sur la santé à l’esprit, l’Agence américaine de protection de l’environnement (EPA) a récemment déclaré plusieurs PFAS comme dangereux, même à l’état de traces.
« Récemment, l’EPA a révisé ses recommandations pour l’APFO essentiellement à zéro », a déclaré Dichtel. « Cela place plusieurs PFAS dans la même catégorie que le plomb. »
Des liens incassables
Bien que les efforts de la communauté pour filtrer le PFAS de l’eau aient été couronnés de succès, il existe peu de solutions pour éliminer le PFAS une fois qu’il est retiré. Les quelques options qui émergent actuellement impliquaient généralement la destruction des PFAS à des températures et des pressions élevées ou d’autres méthodes nécessitant d’importants apports d’énergie.
« Dans l’État de New York, il a été découvert qu’une usine prétendant incinérer du PFAS libérait certains de ces composés dans l’air », a déclaré Dichtel. « Les composés ont été émis par les cheminées et dans la communauté locale. Une autre stratégie ratée a été d’enterrer les composés dans des décharges. Lorsque vous faites cela, vous garantissez simplement que vous aurez un problème dans 30 ans parce qu’il va lentement. Vous n’avez pas résolu le problème. Vous avez juste lancé la boîte sur la route.
Le secret de l’indestructibilité du PFAS réside dans ses liaisons chimiques. Le PFAS contient de nombreuses liaisons carbone-fluor, qui sont les liaisons les plus fortes de la chimie organique. En tant qu’élément le plus électronégatif du tableau périodique, le fluor veut des électrons, et mal. Le carbone, en revanche, est plus disposé à abandonner ses électrons.
« Lorsque vous avez ce genre de différence entre deux atomes – et ils ont à peu près la même taille, ce que sont le carbone et le fluor – c’est la recette d’une liaison très forte », a expliqué Dichtel.
Repérer le talon d’Achille du PFAS
Mais, tout en étudiant les composés, l’équipe de Dichtel a trouvé une faiblesse. Le PFAS contient une longue queue de liaisons carbone-fluor inflexibles. Mais à une extrémité de la molécule, il y a un groupe chargé qui contient souvent des atomes d’oxygène chargés. L’équipe de Dichtel a ciblé ce groupe de tête en chauffant le PFAS dans du diméthylsulfoxyde – un solvant inhabituel pour la destruction du PFAS – avec de l’hydroxyde de sodium, un réactif courant. Le processus a décapité le groupe de tête, laissant derrière lui une queue réactive.
« Cela a déclenché toutes ces réactions et a commencé à cracher des atomes de fluor de ces composés pour former du fluorure, qui est la forme de fluor la plus sûre », a déclaré Dichtel. « Bien que les liaisons carbone-fluor soient super fortes, ce groupe de tête chargé est le talon d’Achille. »
Lors de précédentes tentatives de destruction du PFAS, d’autres chercheurs ont utilisé des températures élevées, jusqu’à 400 degrés Celsius. Dichtel est ravi que la nouvelle technique repose sur des conditions plus douces et un réactif simple et peu coûteux, ce qui rend la solution potentiellement plus pratique pour une utilisation généralisée.
Après avoir découvert les conditions de dégradation du PFAS, Dichtel et Trang ont également découvert que les polluants fluorés se désagrègent par des processus différents de ceux généralement supposés. À l’aide de puissantes méthodes de calcul, les collaborateurs Ken Houk de l’UCLA et Yuli Li, une étudiante de l’Université de Tianjin qui a virtuellement visité le groupe de Houk, ont simulé la dégradation du PFAS. Leurs calculs suggèrent que le PFAS s’effondre par des processus plus complexes que prévu. Bien qu’il ait été précédemment supposé que le PFAS devait se désagréger un carbone à la fois, la simulation a montré que le PFAS se décomposait en réalité de deux ou trois carbones à la fois, une découverte qui correspondait aux expériences de Dichtel et Trang. En comprenant ces voies, les chercheurs peuvent confirmer qu’il ne reste que des produits bénins. Ces nouvelles connaissances pourraient également aider à orienter d’autres améliorations de la méthode.
« Cela s’est avéré être un ensemble très complexe de calculs qui ont défié les méthodes de mécanique quantique les plus modernes et les ordinateurs les plus rapides à notre disposition », a déclaré Houk, un éminent professeur de recherche en chimie organique. « La mécanique quantique est la méthode mathématique qui simule toute la chimie, mais ce n’est qu’au cours de la dernière décennie que nous avons pu nous attaquer à de grands problèmes mécanistes comme celui-ci, en évaluant toutes les possibilités et en déterminant laquelle peut se produire au rythme observé. Yuli a maîtrisé ces méthodes de calcul et travaillé avec la Bretagne longue distance pour résoudre ce problème fondamental mais pratiquement significatif. »
Dix de moins, 11 990 restants
Ensuite, l’équipe de Dichtel testera l’efficacité de sa nouvelle stratégie sur d’autres types de PFAS. Dans l’étude actuelle, ils ont dégradé avec succès 10 acides perfluoroalkyl carboxyliques (PFCA) et acides perfluoroalkyl éther carboxyliques (PFECA), y compris l’acide perfluorooctanoïque (PFOA) et l’un de ses substituts courants, connu sous le nom de GenX, deux des composés PFAS les plus importants. L’US EPA, cependant, a identifié plus de 12 000 composés PFAS.
Bien que cela puisse sembler intimidant, Dichtel garde espoir.
« Notre travail a porté sur l’une des plus grandes classes de PFAS, dont beaucoup nous préoccupent le plus », a-t-il déclaré. « Il y a d’autres classes qui n’ont pas le même talon d’Achille, mais chacune aura sa propre faiblesse. Si nous pouvons l’identifier, alors nous savons comment l’activer pour le détruire. »
Dichtel est membre de l’Institut pour la durabilité et l’énergie du programme de Northwestern sur les plastiques, les écosystèmes et la santé publique ; le Centre de recherche sur l’eau et l’Institut international de nanotechnologie
L’étude, « Low-temperature mineralization of perfluorocarboxylic acid », est publiée le 19 août dans la revue La science.
Brittany Trang et al, Minéralisation à basse température des acides perfluorocarboxyliques, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abm8868. www.science.org/doi/10.1126/science.abm8868