Les produits chimiques PFAS nocifs peuvent maintenant être détectés dans de nombreux sols et plans d’eau. Leur suppression à l’aide de techniques de filtrage conventionnelles est coûteuse et presque impossible. Des chercheurs de l’Institut Fraunhofer pour l’ingénierie interfaciale et la biotechnologie IGB mettent actuellement en œuvre avec succès une technologie à base de plasma dans le projet de recherche conjoint AtWaPlas.
L’eau contaminée est introduite dans un cylindre combiné en verre et en acier inoxydable où elle est ensuite traitée avec un gaz ionisé, c’est-à-dire du plasma. Cela réduit les chaînes moléculaires du PFAS, ce qui permet d’éliminer la substance toxique à moindre coût.
Les substances per- et polyfluoroalkyles (PFAS) ont de nombreuses propriétés particulières. Comme ils sont thermiquement et chimiquement stables et résistants à l’eau, à la graisse et à la saleté, on les retrouve dans un grand nombre de produits du quotidien : les boîtes à pizza et le papier sulfurisé en sont par exemple enduits, et les shampoings et crèmes contiennent également des PFAS. . Dans l’industrie, ils servent d’agents d’extinction et de mouillage, et dans l’agriculture, ils sont utilisés dans les produits phytosanitaires.
Cependant, des traces de PFAS sont désormais également détectées là où elles ne devraient pas être trouvées : dans le sol, les rivières et les eaux souterraines, dans les aliments et dans l’eau potable. C’est ainsi que les substances nocives se retrouvent dans le corps humain. En raison de leur stabilité chimique, l’élimination de ces soi-disant « produits chimiques permanents » a été presque impossible jusqu’à présent sans efforts et dépenses considérables.
Le projet de recherche conjoint AtWaPlas vise à changer cela. L’acronyme signifie Atmospheric Water Plasma Treatment. Le projet innovant est actuellement mené à l’Institut Fraunhofer pour l’ingénierie interfaciale et la biotechnologie IGB à Stuttgart en coopération avec le partenaire industriel HYDR.O. Geologen und Ingenieure GbR d’Aix-la-Chapelle. L’objectif est de traiter et de valoriser les eaux contaminées par les PFAS par traitement plasma.
L’équipe de recherche dirigée par le Dr Georg Umlauf, un expert des surfaces et des matériaux fonctionnels, utilise la capacité du plasma à attaquer les chaînes moléculaires des substances. Le gaz électriquement conducteur constitué d’électrons et d’ions est généré lorsqu’une haute tension est appliquée. « Nos expériences avec le plasma ont réussi à raccourcir les chaînes de molécules de PFAS dans l’eau. C’est une étape importante vers l’élimination efficace de ces polluants tenaces », se réjouit Umlauf.
Cycle de l’eau dans un cylindre en acier inoxydable
Les chercheurs de Fraunhofer utilisent une construction cylindrique pour ce procédé au plasma. À l’intérieur se trouve un tube en acier inoxydable, qui sert d’électrode de masse du circuit électrique. La maille extérieure en cuivre agit alors comme une électrode haute tension et est protégée 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.
Pendant le processus de purification, l’eau contaminée par le PFAS est introduite au fond du réservoir en acier inoxydable et pompée vers le haut. Il descend ensuite à travers l’espace entre les électrodes, en traversant l’atmosphère de plasma électriquement actif. Le plasma se décompose et raccourcit les chaînes de molécules de PFAS lors de sa décharge.
L’eau est pompée à plusieurs reprises à travers le réacteur en acier et la zone de décharge de plasma dans un circuit fermé, réduisant à chaque fois les chaînes de molécules de PFAS jusqu’à ce qu’elles soient complètement minéralisées. « Idéalement, les substances PFAS nocives sont éliminées au point qu’elles ne peuvent plus être détectées dans les mesures de spectrométrie de masse. Cela est également conforme aux réglementations strictes de l’ordonnance allemande sur l’eau potable (TrinkwV) concernant les concentrations de PFAS », déclare Umlauf.
La technologie développée à l’Institut Fraunhofer présente un avantage clé par rapport aux méthodes conventionnelles telles que la filtration au charbon actif : « Les filtres à charbon actif peuvent lier les substances nocives, mais ils sont incapables de 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 et est très efficace et nécessite peu d’entretien », explique l’expert Fraunhofer Umlauf.
De vrais échantillons d’eau au lieu d’échantillons de laboratoire synthétiques
Afin d’assurer une véritable faisabilité, les chercheurs de Fraunhofer testent la purification du plasma dans des conditions plus difficiles. Les méthodes de test conventionnelles impliquent l’utilisation d’eau parfaitement propre et de solutions de 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 les PFAS.
Les échantillons sont collectés par le partenaire du projet HYDR.O. Geologen und Ingenieure GbR d’Aix-la-Chapelle. L’entreprise est spécialisée dans la dépollution de sites contaminés et réalise également des simulations hydrodynamiques.
Les vrais échantillons d’eau avec lesquels Umlauf et son équipe travaillent contiennent donc du PFAS ainsi que d’autres particules, des solides en suspension et de la turbidité organique. « C’est ainsi que nous vérifions l’efficacité de la purification d’AtWaPlas, non seulement à l’aide d’échantillons de laboratoire synthétiques, mais également dans des conditions réelles avec des qualités d’eau changeantes. Les paramètres du processus peuvent être adaptés et développés en même temps », explique Umlauf.
Cette méthode au 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 économique.
Le projet de recherche conjoint 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 conjoint pour optimiser davantage le processus.
Georg Umlauf déclare : « Notre objectif actuel est d’éliminer complètement les PFAS toxiques en prolongeant les temps de traitement et en augmentant le nombre de circulations dans le réservoir. Nous souhaitons également rendre la technologie AtWaPlas disponible pour une application pratique à plus grande échelle. L’avenir pourrait voir des installations correspondantes installées comme étapes d’épuration autonomes dans les stations d’épuration ou utilisées dans des conteneurs portables sur des sites contaminés à ciel ouvert.