Nouvelle méthode de lutte contre les produits chimiques à vie

Quel est le point commun entre la mousse anti-incendie, les ustensiles de cuisine antiadhésifs, les textiles hydrofuges et les pesticides ? Ils contiennent tous des substances per- et polyfluoroalkyles, ou PFAS - des produits chimiques fabriqués par l'être humain qui ne se décomposent pas naturellement. Il n'est donc pas étonnant que les PFAS contaminent aujourd'hui le sol et l'eau et qu'elles puissent être détectées dans le corps des êtres humaine et des animaux. Les dangers sont bien connus : ces substances chimiques à vie peuvent endommager le foie, déclencher des troubles hormonaux et provoquer des cancers, pour ne citer que quelques-uns de leurs effets.

Les chercheuses et chercheurs du groupe de Salvador Pané i Vidal, professeur à l'Institut de robotique et de systèmes intelligents de l'ETH Zurich, ont mis au point une nouvelle méthode pour décomposer un sous-groupe de PFAS appelé sulfonates de perfluorooctane, ou PFOS. En raison de leur toxicité, les PFOS font aujourd'hui l'objet de restrictions sévères, voire d'une interdiction. «Le principal problème est que les molécules sont constituées de longues chaînes de carbone entourées d'atomes de fluor. Cette liaison carbone-fluor est si forte qu'il faut beaucoup d'énergie pour la briser», explique Andrea Veciana, doctorante de Salvador Pané i Vidal.

Décomposition des molécules par ultrasons et nanoparticules

Pour briser les molécules de PFOS et ainsi les dégrader dans l'eau, les scientifiques ont utilisé pour la première fois la piézocatalyse. Le terme piézo fait référence à la piézoélectricité, une charge électrique générée lors d'une déformation mécanique, et le terme catalyse désigne l'accélération d'une réaction chimique à l'aide de substances appropriées. «Nous avons mis au point des nanomatériaux piézoélectriques. À l'œil nu, ce matériau ressemble un peu à du sable», explique Andrea Veciana. Dans le bain ultrasonique, ces particules se chargent électriquement et agissent comme un catalyseur. Salvadeur Pané i Vidal ajoute : «C'est cette charge électrique qui déclenche toute la chaîne de réaction et décompose les molécules de PFOS pièce par pièce. C'est pourquoi les nanoparticules sont dites piézoélectriques».

Pour mesurer la concentration de PFOS dans leurs échantillons, les scientifiques ont travaillé avec Samy Boulos, spécialiste analytique du Laboratoire de biochimie alimentaire. À l'aide d'un spectromètre de masse, ils et elles ont pu prouver que 90,5% des molécules de PFOS étaient dégradées. «Il convient toutefois de préciser que nous avons travaillé avec une concentration très élevée de 4 milligrammes par litre», précise Andrea Veciana. «Dans la nature, comme dans les lacs et les rivières, la concentration de SPFO est inférieure à 1 microgramme par litre. Et plus la concentration est faible, plus il faut de temps pour que les PFOS se dégradent». Certaines des technologies actuellement en cours de développement concentrent d'abord l'eau, puis détruisent les PFOS. Il s'agirait également d'une étape clé de la piézocatalyse, qui devrait être mise en œuvre dans une application spécifique telle que les effluents de l'industrie chimique.

Meilleure que les méthodes précédentes

Le potentiel de la nouvelle méthode apparaît clairement lorsque l'on considère les options existantes pour dégrader les PFAS. «L'une des méthodes est la décomposition thermique, mais elle nécessite une température de plus de 1000 degrés Celsius, ce qui la rend très énergivore», explique Andrea Veciana. Les PFAS peuvent également être dégradés par photocatalyse. Ce processus est similaire à la piézocatalyse, mais il utilise la lumière pour activer le catalyseur au lieu de l'énergie mécanique. Le principal problème de cette méthode est que, dans la pratique, l'objectif est de traiter les eaux usées et que, les eaux usées étant troubles, la pénétration de la lumière est faible. Andrea Veciana mentionne une troisième méthode : «Il y a aussi l'absorption, qui consiste à utiliser une sorte d'éponge pour absorber les polluants présents dans l'eau. Mais cela ne fait que déplacer le problème d'un endroit à l'autre ; il faut maintenant trouver une solution pour l'éponge imprégnée de PFAS».

Les inconvénients des méthodes existantes ont été l'une des raisons pour lesquelles l'équipe de recherche de l'ETH Zurich a cherché une nouvelle façon de décomposer les PFAS. La piézocatalyse présente l'avantage de pouvoir fonctionner avec différentes sources d'énergie mécanique. «Si l'eau doit être purifiée dans les stations d'épuration et qu'il y a déjà des turbulences dans l'eau, cette énergie pourrait peut-être être exploitée pour décomposer les PFAS qu'elle contient», explique Andrea Veciana.

Lutter ensemble contre les PFAS

Malheureusement, ce que les scietnifiques ont réalisé en laboratoire avec des échantillons d'eau de 50 millilitres n'a pas encore été mis en pratique. «L'extensibilité de notre méthode est l'un des plus grands défis», explique Salvador Pané i Vidal. «Cependant, nous avons réussi à montrer que la piézocatalyse est une méthode efficace pour dégrader les PFOS et qu'elle présente des avantages par rapport aux méthodes précédentes. En outre, leur méthode peut être utilisée non seulement pour les PFOS, mais aussi pour tout autre PFAS et micropolluant.

En général, les méthodes de dégradation des PFAS devraient être utilisées avant que les produits chimiques ne se retrouvent dans l'environnement, c'est-à-dire dans les stations d'épuration des eaux usées industrielles ou sur l'eau agricole collectée en vue de sa réutilisation. «Les entreprises doivent prendre toutes les mesures possibles pour s'assurer que l'eau qu'elles rejettent dans l'environnement est aussi propre que possible», déclare Salvador Pané i Vidal. Andrea Veciana ajoute : «Les PFAS constituent un problème mondial qu'il convient d'aborder avant tout en modifiant les politiques et en améliorant la transparence. Les médias ont déjà beaucoup parlé d'une interdiction des PFAS et d'une réglementation plus stricte pour obliger l'industrie à être plus transparente sur l'utilisation de ces produits chimiques. Andrea Veciana ajoute : «Néanmoins, il est également important de continuer à innover par le biais de la recherche afin de réduire et de remédier autant que possible à l'exposition existante aux PFAS.»