Les ingénieurs chimistes de l'Université Rice ont trouvé un catalyseur efficace pour détruire les produits chimiques PFAS "pour toujours" là où ils s'y attendaient le moins.

"C'était le contrôle, " a déclaré le professeur de riz Michael Wong, se référant à la partie d'une expérience scientifique où les chercheurs ne s'attendent pas à des surprises. Le groupe témoin est l'étalon de la science expérimentale, la ligne de base par laquelle les variables sont mesurées.

"Nous n'avons pas encore testé cela à grande échelle, mais dans nos tests sur paillasse en laboratoire, nous pourrions nous débarrasser de 99% du PFOA en quatre heures, " Wong a dit du nitrure de bore, le catalyseur activé par la lumière sur lequel lui et ses étudiants sont tombés et ont passé plus d'un an à le tester.

Leur étude, qui est disponible en ligne dans le journal de l'American Chemical Society Lettres sur les sciences et technologies de l'environnement , ont découvert que le nitrure de bore détruisait l'APFO (acide perfluorooctanoïque) plus rapidement que n'importe quel photocatalyseur précédemment rapporté. L'APFO est l'un des PFAS (substances perfluoroalkyle et polyfluoroalkyle) les plus répandus. une famille de plus de 4 personnes, 000 composés développés au 20ème siècle pour fabriquer des revêtements pour vêtements imperméables, emballages alimentaires, poêles antiadhésives et d'innombrables autres utilisations. Les PFAS ont été surnommés « produits chimiques pour toujours » pour leur tendance à rester dans l'environnement, et les scientifiques les ont trouvés dans le sang de pratiquement tous les Américains, y compris les nouveau-nés.

Les catalyseurs sont la spécialité de Wong. Ce sont des composés qui provoquent des réactions chimiques sans participer ni être consommés dans ces réactions. Son laboratoire a créé des catalyseurs pour détruire un certain nombre de polluants, dont le TCE et les nitrates, et il a dit qu'il avait chargé son équipe de trouver de nouveaux catalyseurs pour lutter contre le PFAS il y a environ 18 mois.

"Nous avons essayé beaucoup de choses, " dit Wong, président du département de génie chimique et biomoléculaire de la Brown School of Engineering de Rice. « Nous avons essayé plusieurs matériaux qui, selon moi, allaient fonctionner. Aucun d'entre eux ne l'a fait. Cela n'était pas censé fonctionner, et ça l'a fait."

Le catalyseur, poudre de nitrure de bore, ou BN, est un minéral synthétique disponible dans le commerce qui est largement utilisé dans le maquillage, produits de soins de la peau, pâtes thermiques qui refroidissent les puces informatiques et autres produits de consommation et industriels.

La découverte a commencé avec des dizaines d'expériences ratées sur des catalyseurs PFAS plus probables. Wong a dit qu'il a demandé à deux membres de son laboratoire, Lijie Duan, étudiante diplômée en visite à l'Université Tsinghua de Chine, et Bo Wang, étudiante diplômée de Rice, faire des expériences finales sur un ensemble de composés candidats avant de passer à d'autres.

"Il y avait de la littérature qui suggérait que l'un d'eux pourrait être un photocatalyseur, ce qui signifie qu'il serait activé par la lumière d'une longueur d'onde particulière, " a déclaré Wong. "Nous n'utilisons pas la lumière très souvent dans notre groupe, mais j'ai dit, « Allons-y et griffonnons avec. » Le soleil est une énergie gratuite. Voyons ce que nous pouvons faire avec la lumière."

Comme avant, aucun des groupes expérimentaux n'a bien fonctionné, mais Duan a remarqué quelque chose d'inhabituel avec le contrôle du nitrure de bore. Elle et Wang ont répété les expériences à plusieurs reprises pour écarter les erreurs inattendues, problèmes avec la préparation des échantillons et d'autres explications pour le résultat étrange. Ils n'arrêtaient pas de voir la même chose.

"Voici le constat, " dit Wong. " Vous prenez un flacon d'eau qui contient du PFOA, tu mets ta poudre de BN, et tu le scelle. C'est ça. Vous n'avez pas besoin d'ajouter d'hydrogène ou de le purger avec de l'oxygène. C'est juste l'air que nous respirons, l'eau contaminée et la poudre de BN. Vous l'exposez à la lumière ultraviolette, spécifiquement à la lumière UV-C avec une longueur d'onde de 254 nanomètres, reviens dans quatre heures, et 99% du PFOA a été transformé en fluorure, dioxyde de carbone et hydrogène."

Le problème était la lumière. La longueur d'onde de 254 nanomètres, qui est couramment utilisé dans les lampes germicides, est trop petit pour activer la bande interdite dans le nitrure de bore. Bien que cela soit incontestablement vrai, les expériences ont suggéré qu'il ne pouvait pas être.

« Si tu enlèves la lumière, vous n'obtenez pas de catalyse, " Wong a dit. " Si vous omettez la poudre de BN et utilisez seulement la lumière, vous n'obtenez pas de réaction."

Ainsi, le nitrure de bore absorbait clairement la lumière et catalysait une réaction qui détruisait le PFOA, malgré le fait qu'il aurait dû être optiquement impossible pour le nitrure de bore d'absorber la lumière UV-C de 254 nanomètres.

"Ce n'est pas censé fonctionner, " dit Wong. " C'est pourquoi personne n'a jamais pensé à chercher ça, et c'est pourquoi il nous a fallu si longtemps pour publier les résultats. Nous avions besoin d'une sorte d'explication pour cette contradiction."

Wong a dit qu'il, Duane, Wang et ses co-auteurs ont proposé une explication plausible dans l'étude.

"Nous avons conclu que notre matériau absorbe la lumière de 254 nanomètres, et c'est à cause des défauts atomiques de notre poudre, " dit-il. " Les défauts changent la bande interdite. Ils le rétrécissent suffisamment pour que la poudre absorbe juste assez de lumière pour créer les espèces oxydantes réactives qui mâchent le PFOA. »

Wong a déclaré que davantage de preuves expérimentales seront nécessaires pour confirmer l'explication. Mais à la lumière des résultats avec le PFOA, il s'est demandé si le catalyseur au nitrure de bore pourrait également fonctionner sur d'autres composés PFAS.

"J'ai donc demandé à mes élèves de faire une autre chose, " a déclaré Wong. "Je leur ai demandé de remplacer le PFOA dans les tests avec GenX."

GenX est aussi un produit chimique pour toujours. Lorsque le PFOA a été interdit, GenX était l'un des produits chimiques les plus largement utilisés pour le remplacer. Et un nombre croissant de preuves suggèrent que GenX pourrait être un problème environnemental tout aussi important que son prédécesseur.

"C'est une histoire similaire à l'APFO, " Wong a dit. " Ils trouvent GenX partout maintenant. Mais une différence entre les deux est que les gens ont déjà signalé un certain succès avec des catalyseurs pour dégrader l'APFO. Ils ne l'ont pas fait pour GenX."

Wong et ses collègues ont découvert que la poudre de nitrure de bore détruit également GenX. Les résultats n'étaient pas aussi bons qu'avec le PFOA :avec deux heures d'exposition à une lumière de 254 nanomètres, BN a détruit environ 20% du GenX dans les échantillons d'eau. Mais Wong a déclaré que l'équipe avait des idées sur la façon d'améliorer le catalyseur de GenX.

Il a déclaré que le projet avait déjà attiré l'attention de plusieurs partenaires industriels du Rice-based Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment (NEWT). NEWT est un centre de recherche en ingénierie interdisciplinaire financé par la National Science Foundation pour développer des systèmes de traitement de l'eau hors réseau qui protègent à la fois les vies humaines et soutiennent le développement économique durable.

"La recherche a été amusante, un vrai travail d'équipe, " a déclaré Wong. "Nous avons déposé des brevets à ce sujet, et l'intérêt de NEWT pour d'autres tests et développements de la technologie est un grand vote de confiance."