Daisuke Minakata avec des étudiants dans son laboratoire. Les intérêts de recherche de Minakata comprennent le développement d'outils informatiques pour les technologies de traitement de l'eau et des eaux usées. Crédit :Université technologique du Michigan
Un nouvel outil informatique développé à la Michigan Technological University aide dans la quête urgente pour éliminer les produits chimiques persistants connus sous le nom de PFAS des approvisionnements en eau communautaires.
En raison de leurs propriétés uniques, les substances per- et polyfluoroalkyles (PFAS) sont utilisées partout dans la vie quotidienne :des vêtements hydrofuges aux ustensiles de cuisine antiadhésifs en passant par les boîtes à pizza, la cire de ski, les emballages de restauration rapide et la mousse anti-incendie.
"Les PFAS contiennent une liaison carbone-fluor très forte, difficile à dégrader par les activités biologiques", a déclaré Daisuke Minakata, professeur agrégé d'ingénierie civile, environnementale et géospatiale. "Les PFAS peuvent rester dans l'environnement presque pour toujours ; ainsi, ils sont appelés" les produits chimiques pour toujours ". Ils finissent par contaminer nos eaux souterraines et de surface, nos cours d'eau et, éventuellement, notre eau potable et nos systèmes écologiques également, y compris les poissons d'eau douce."
Les industries chimiques fabriquent des PFAS avec différentes propriétés pour des produits commerciaux spécifiques ; il existe environ 4 000 à 5 000 types connus. Alors que les impacts toxicologiques sont encore largement inconnus, les PFAS sont potentiellement cancérigènes, a déclaré Minakata. De petites concentrations de PFAS ont été trouvées dans le sang humain. En conséquence, l'État du Michigan et l'Environmental Protection Agency (EPA) des États-Unis ont récemment commencé à réglementer les niveaux de plusieurs types de PFAS en vertu de la Safe Water Drinking Act.
Répondre aux PFAS détectés dans l'eau est un défi pour les communautés du Michigan et d'ailleurs. "Certaines autorités de l'eau ont déjà localisé la source de contamination par les PFAS dans leur eau potable", a déclaré Minakata. "C'est un début. Cependant, en raison des contraintes budgétaires auxquelles sont confrontées de nombreuses administrations locales, elles ne peuvent tout simplement pas se permettre d'utiliser des technologies avancées de traitement de l'eau pour éliminer les PFAS."
Le coût n'est pas le seul obstacle. "Les autorités locales de l'eau ont du mal à mettre en œuvre les technologies disponibles pour éliminer les PFAS des sources d'eau", a déclaré Minakata. "Les technologies actuelles, telles que l'adsorption de charbon actif granulaire et l'échange d'ions, n'offrent qu'un transfert de phase du PFAS de l'eau vers le milieu carboné, qui nécessite ensuite une régénération et un remplacement." Autre préoccupation :"L'adsorption à base de carbone fonctionne pour les PFAS à chaîne plus longue, mais ceux-ci sont désormais progressivement éliminés du marché", a-t-il déclaré. "Ils sont remplacés par des PFAS à chaîne plus petite. Les PFAS à chaîne plus petite posent moins de problèmes toxicologiques, mais ils ne sont pas bien éliminés par adsorption."
Et, il y a un autre problème. "La plupart des technologies de remédiation actuellement disponibles ne détruisent pas réellement les PFAS", a déclaré Minakata. "Au lieu de cela, ces technologies transfèrent les PFAS d'une phase à l'autre. Elles sont commodément mises en œuvre afin de respecter les nouvelles réglementations de l'EPA. Mais cela va se retourner contre nous. À moins que nous ne détruisions complètement la structure des PFAS, nous sommes obligés de rencontrer plus gros, plus problèmes fondamentaux."
Minakata pense que les PFAS se retrouveront dans les eaux usées et les lixiviats des décharges en raison des technologies actuelles d'assainissement des PFAS, bien qu'à de très faibles concentrations. "Les PFAS seront ensuite renvoyés dans l'environnement par évaporation, dépôt atmosphérique et biosolides. Les biosolides recyclés peuvent ensuite être utilisés dans l'agriculture, de sorte que les PFAS pourraient éventuellement contaminer les cultures vivrières", a-t-il déclaré.
Un nouvel outil de calcul pour une réduction avancée
Même ainsi, Minakata voit une lumière au bout du tunnel PFAS. Son groupe de recherche a récemment publié un article décrivant un nouvel outil de calcul PFAS, "Réactivités des électrons hydratés avec des composés organiques dans les processus de réduction avancés en phase aqueuse" dans la revue de la Royal Society of Chemistry Environmental Science:Water Research &Technology.
Rose Daily, étudiante diplômée de Minakata et Michigan Tech, chercheuse diplômée de la National Science Foundation en génie de l'environnement, a utilisé la science des données et la chimie computationnelle pour étudier des centaines de produits chimiques organiques structurellement divers afin de prédire les réactivités des PFAS.
"Nos méthodes peuvent être étendues et utilisées pour dépister des milliers de PFAS", déclare Minakata. "La clé est de comprendre les réactivités des électrons solvatés avec les produits chimiques organiques et les PFAS. Grâce à ces connaissances, vous pouvez dépister un grand nombre de contaminants PFAS et les hiérarchiser pour l'application de processus de réduction avancés pour dégrader et, espérons-le, détruire complètement les PFAS."
Les résultats des recherches de Minakata peuvent également être utilisés pour renforcer et améliorer les applications actuelles de remédiation des PFAS, y compris les techniques d'oxydation électrochimique.
Recherche fondamentale :Réactivités des électrons
"J'ai étudié l'oxydation des contaminants organiques dans l'eau et les eaux usées pendant 20 ans", a déclaré Minakata. "Chaque PFAS est très unique et beaucoup sont des formes oxydées ; ainsi, l'oxydation ne détruit pas bien le PFAS." Les chercheurs du monde entier se tournent maintenant vers les technologies de réduction qui reposent sur les électrons, a-t-il déclaré.
"La réduction électrochimique utilisant des électrons est une technologie aux résultats prometteurs. Les chercheurs travaillent actuellement sur les matériaux d'électrode et la conception du réacteur pour améliorer l'efficacité des applications dans le monde réel. C'est ici que ma recherche fondamentale peut fournir des informations précieuses sur les réactivités des électrons qui, jusqu'à jusqu'à présent, n'ont pas été bien compris."
Objectif suggéré :cibler les plus grandes concentrations de PFAS
Obtenez le PFAS là où il est le plus répandu, dit Minakata. "Plutôt que de cibler des concentrations extrêmement faibles de PFAS dans l'eau, la recherche et l'assainissement devraient identifier et cibler les points où les concentrations de PFAS sont relativement élevées", a-t-il déclaré. "Ce serait un bien meilleur moyen de détruire les PFAS de manière abordable, efficace et efficiente."
Ensuite, Minakata et ses collaborateurs prévoient d'étudier la distribution physique des PFAS. "Nous voulons trouver des points chauds de PFAS, des endroits où nous pouvons appliquer ces technologies prometteuses, afin de détruire de grandes quantités de PFAS en une seule fois."
PFAS présente des questions de justice environnementale, a noté Minakata, dont les recherches dans ce domaine sont partiellement soutenues par Central Chemicals. "Plutôt que de dissimuler les problèmes de PFAS, comme mettre de petits pansements sur des blessures graves, nous, les ingénieurs environnementaux, devons nous attaquer et résoudre le problème fondamental des PFAS en collaboration avec des scientifiques, des industries, des communautés et des décideurs", a-t-il déclaré. Selon une étude, la plupart des masques faciaux n'exposent pas les porteurs à des niveaux nocifs de PFAS
