Une nouvelle méthode pour dégrader les « produits chimiques éternels » des PFAS s’est avérée efficace en laboratoire

Les substances per- et poly-fluoroalkyles (PFAS) sont connues sous le nom de « produits chimiques éternels » car elles sont notoirement résistantes à la dégradation. En raison de leur structure chimique stable, les PFAS, que l’on trouve dans des milliers de variantes, sont utilisés dans les emballages alimentaires résistants à l’huile et à la graisse, dans les ustensiles de cuisine antiadhésifs, les cosmétiques, les vêtements et les mousses anti-incendie.

Les produits chimiques sont si répandus qu’ils ont infiltré les sources d’eau et le sol. En fait, des rapports récents ont révélé qu’une grande partie de nos ressources mondiales en eau dépassent les limites de consommation des PFAS et les inquiétudes concernant leurs impacts environnementaux et sanitaires n’ont cessé de croître.

Malgré les efforts continus pour développer des moyens de dégrader les PFAS, les méthodes actuelles sont limitées par le manque de processus efficaces, évolutifs et respectueux de l’environnement.

Aujourd’hui, une équipe de scientifiques de l’École de chimie de l’UNSW a conçu un système catalyseur capable d’activer une réaction pour décomposer les types courants de PFAS ramifiés. La nouvelle méthode, développée par le Dr Jun Sun et le professeur Naresh Kumar et récemment publiée dans la revue Recherche sur l’eauest prometteur pour une assainissement des PFAS plus efficace et durable à l’avenir.

Travaillant aux côtés du professeur Denis O’Carroll, du professeur Michael Manefield et du Dr Matthew Lee de l’École de génie civil et environnemental de l’UNSW, l’équipe a conçu un système catalyseur qui pourrait jouer un rôle clé dans la résolution du problème des PFAS.

“En raison de sa nature robuste, de sa simplicité d’application et de sa rentabilité, le nouveau système que nous avons développé montre une élimination réussie des PFAS en laboratoire, que nous espérons éventuellement tester à plus grande échelle”, déclare le Dr Sun, premier auteur de l’article. .

PFAS : Quoi, où et quand ?

Depuis les années 1940, les produits chimiques PFAS sont produits à l’échelle industrielle, leur structure unique étant utilisée dans diverses applications commerciales et industrielles, notamment la mousse anti-incendie.

“À l’époque où les PFAS étaient produits à l’échelle mondiale, on ne réalisait pas que ce produit chimique était essentiellement indestructible”, explique le professeur Kumar.

Le produit chimique est si résistant à la dégradation que les Australiens, et les habitants du monde entier, ont probablement de faibles niveaux de PFAS dans leur organisme. « Le PFAS est un produit chimique si résistant qu’il ne peut pas être dégradé dans le corps humain », explique le professeur Kumar. « Et c’est devenu une source d’inquiétude. »

Certaines recherches scientifiques suggèrent que l’exposition à certains PFAS peut entraîner des effets néfastes sur la santé, mais des preuves supplémentaires sont nécessaires pour révéler comment différents niveaux d’exposition aux PFAS peuvent entraîner divers effets sur la santé.

Le PFOA, l’un des types de PFAS les plus préoccupants, est soumis à la Convention de Stockholm sur les polluants organiques persistants (POP). En 2023, le Centre international de recherche sur le cancer (CIRC) de l’Organisation mondiale de la santé (OMS) a reclassé l’APFO de cancérogène possible pour l’homme à cancérogène du groupe 1, en raison de preuves irréfutables de sa cancérogénicité chez l’homme.

En raison de leurs risques potentiels et de leur durabilité, de nombreux organismes de réglementation ont renforcé la réglementation sur les PFAS et fixé des limites de précaution pour l’eau potable, notamment en Australie.

“Le besoin urgent d’une élimination efficace des PFAS a conduit à enquêter sur un large éventail de méthodes de traitement, allant des processus de séparation physique aux techniques avancées de destruction, qui ont toutes leurs limites”, explique le Dr Jun.

Processus actuels utilisés pour réduire les PFAS

Le PFAS est un produit chimique fluoré lié par de fortes liaisons carbone-fluorure (C-F), réputées difficiles à rompre.

Une méthode existante pour éliminer les PFAS de l’eau et du sol consiste à absorber les PFAS sur un matériau carboné. “Donc, si vous avez un tampon de charbon actif et que vous y faites passer de l’eau, vous pouvez absorber le PFAS sur le charbon actif, mais vous devez ensuite le brûler pour détruire le PFAS, ou le stocker en toute sécurité”, explique le professeur. Kumar.

Il s’agit d’un processus laborieux et inefficace sur le plan énergétique, sans parler des impacts environnementaux liés à la combustion de matières carbonées. Et bien que les techniques de séparation physique telles que celle-ci offrent un potentiel d’isolement des PFAS, elles ne détruisent pas réellement le produit chimique, ce qui, en fin de compte, exacerbe les défis de gestion associés aux déchets contaminés par les PFAS.

Une autre méthode explorée par les scientifiques utilise un agent oxydant puissant pour le briser. Cependant, ce processus nécessite des produits chimiques agressifs qui décomposent les PFAS en structures plus petites, qui peuvent devenir encore plus difficiles à éliminer complètement.

“Il existe un besoin constant de trouver un moyen économe en énergie et respectueux de l’environnement pour éliminer les PFAS de l’eau”, explique le Dr Sun. “La méthode que nous avons développée est un type de défluoration réductrice, qui diminue la toxicité des PFAS en brisant les fortes liaisons C-F des PFAS ramifiés.”

Développer un catalyseur efficace

Les nanométaux de valence zéro (nZVM) sont un type d’agent réducteur chimique respectueux de l’environnement que les scientifiques utilisent largement depuis des décennies dans le traitement des eaux souterraines et des sols contaminés par des composés chlorés, à l’aide d’un processus de déchloration.

Malgré son potentiel ailleurs, comme l’élimination des métaux lourds des eaux souterraines, il y a eu un manque de recherche sur la défluoration des PFAS à l’aide de nZVM, en grande partie à cause du manque de catalyseurs appropriés nécessaires pour activer la réaction.

Des études antérieures indiquent que les PFAS peuvent être dégradés à l’aide de zinc nanovalent zéro et de la vitamine B12, un catalyseur naturel, une vitamine hydrosoluble présente dans notre alimentation quotidienne. Mais là encore, le processus s’est révélé lent et inefficace.

“Inspirés par le fait que la B12 a le potentiel de catalyser cette réaction, nous avons voulu synthétiser un catalyseur qui reflète la forme unique de l’anneau de la B12, ce que nous avons fait en utilisant une structure connue sous le nom d’anneau de porphyrine”, explique le Dr Sun.

Testant leur méthode sur deux types courants de PFAS : le PFOS ramifié et le PFOA – Prof. Kumar et le Dr Sun ont mélangé les produits chimiques PFAS avec des nZVM et le cycle porphyrine dans une solution tampon et ont mesuré la dégradation des PFAS.

“Nous avons fait cela en suivant la quantité de fluorure libérée à mesure que ces fortes liaisons carbone-fluorure sont rompues”, explique le Dr Sun. “Ainsi, en mesurant simplement la quantité d’ions fluorure produite par la réaction, nous pouvons déterminer la quantité de PFAS dégradée.”

“Nous avons également comparé ces résultats aux catalyseurs B12 existants et avons constaté que le cycle porphyrine de cobalt que nous avons utilisé était plus efficace et plus rapide pour dégrader les PFAS ramifiés”, explique le Dr Sun.

Les résultats de cette dernière étude ont révélé qu’en cinq heures, environ 75 % du fluorure avait été libéré par le PFOS ramifié et le PFOA, réduisant considérablement la quantité de PFAS dans la solution. Pendant ce temps, le système catalytique à base de B12 n’a montré que moins de 8 % de défluoration en cinq heures.

Potentiel d’application à grande échelle

Bien que des recherches supplémentaires soient nécessaires avant de voir cette méthode appliquée à grande échelle, le professeur Kumar, le Dr Sun et l’équipe ont les yeux rivés sur les prochaines étapes.

“La prochaine étape pour nous est d’essayer cela à l’échelle pilote pour voir si cela peut être réalisé en dehors du laboratoire sur un échantillon réel”, explique le professeur Kumar. “Ensuite, nous aimerions l’essayer dans un véritable système de purification d’eau ou sur des sites contaminés par des PFAS.”

L’équipe étudie également les moyens d’étendre le processus de manière respectueuse de l’environnement, en incorporant le catalyseur dans une électrode. “Ces résultats nous permettraient de mettre en place le système catalytique dans une cellule électrochimique, où la tension appliquée peut remplacer le zinc nanovalent zéro afin que le PFAS puisse être dégradé dans la cellule”, explique le professeur Kumar.

“Nous espérons essayer cette méthode sur des PFAS linéaires, et pas seulement sur des types ramifiés”, explique le Dr Sun. “Mais nous sommes déjà sur le point de résoudre un problème environnemental répandu.”