Des chercheurs de l'Université Drexel ont montré qu'un vortex de plasma froid peut détruire efficacement les composés PFAS dans l'eau. Crédit :Université Drexel
Des chercheurs de l'Université Drexel ont trouvé un moyen de détruire les composés toxiques obstinément résistants, sinistrement surnommé « produits chimiques pour toujours, " qui ont contaminé l'eau potable de millions de personnes aux États-Unis.
Ces produits chimiques, communément appelé PFAS - un raccourcissement de substances per- et polyfluoroalkyles, ont été utilisés pendant une soixantaine d'années comme revêtements de poêles antiadhésives et de vêtements imperméables et dans les mousses anti-incendie. Au cours des deux dernières décennies, les inquiétudes concernant les risques pour la santé associés à l'exposition aux PFAS - du cancer et des problèmes de thyroïde à l'insuffisance pondérale à la naissance et à l'hypertension artérielle - ont conduit à des interdictions fédérales, des mandats de surveillance et des efforts de remédiation massifs.
Mais éliminer ces produits chimiques, conçus à l'origine pour résister aux températures élevées des incendies provoqués par le carburant, de l'eau potable s'est avéré presque impossible.
"Les liaisons chimiques du fluorure de carbone dans les composés PFAS sont extrêmement stables, il est donc impossible de décomposer ces composés en utilisant des méthodes de traitement standard, " a déclaré Christopher Sales, Doctorat., professeur agrégé de génie environnemental à Drexel qui étudie la dégradation des contaminants environnementaux.
Sales fait partie d'une équipe du Drexel's College of Engineering et du C. &J. Nyheim Plasma Institute qui explore comment une explosion de gaz chargé, appelé plasma froid, peut être utilisé pour éliminer les PFAS de l'eau. Son groupe a récemment publié ses recherches dans la revue Sciences de l'environnement :recherche et technologie de l'eau .
"C'est devenu un problème urgent car nous voyons des PFAS apparaître partout, pas seulement dans l'eau et le sol à proximité des aéroports qui l'utilisaient dans la mousse anti-incendie, mais aussi dans de nombreux biens de consommation comme les tissus résistants aux taches et les emballages alimentaires conçus pour repousser les liquides et la graisse », a déclaré Sales. « Parce que ces produits chimiques ne se biodégradent pas facilement, Le PFAS s'infiltre dans les eaux souterraines et de surface à partir de produits qui se trouvent dans les décharges depuis des décennies. »
Bien que les voies d'exposition précises n'aient pas encore été identifiées, des études suggèrent que le PFAS a été détecté dans le sang de 98 % de la population américaine grâce à une combinaison d'exposition directe, contamination de l'eau potable et bioaccumulation.
Plasmatron à arc glissant, développé à l'Université Drexel, est utilisé pour éliminer la contamination par les PFAS de l'eau potable. Crédit :Université Drexel
Le ministère de la Défense dépense actuellement des milliards de dollars pour nettoyer les réserves d'eau contaminée du sol autour de centaines de bases militaires où de la mousse anti-incendie PFAS avait été utilisée. Mais les meilleurs efforts ne sont qu'un pis-aller, selon les ventes.
« La norme actuelle pour traiter l'eau contaminée par le PFAS est celle des filtres à charbon actif, " a déclaré Sales. " Mais le problème avec la filtration est qu'elle ne collecte que le PFAS, elle ne le détruit pas. Donc, sauf si les filtres sont incinérés à haute température, les filtres usés deviennent une nouvelle source de PFAS qui peut retourner dans l'environnement par le ruissellement et l'infiltration des décharges."
Pour vraiment éliminer les produits chimiques, le traitement doit séparer la liaison carbone-fluorure qui est la clé de la résistance du composé. Différents types de PFAS, qui se comptent maintenant par milliers, sont constitués de chaînes de fluorure de carbone de différentes longueurs. L'objectif principal des méthodes de décontamination proposées est de briser la chaîne en plus petits morceaux pour la rendre inerte. Un secondaire, et cible plus difficile, élimine complètement les atomes de fluorure des composés, une réalisation appelée défluoration.
Une façon d'éliminer le PFAS de l'eau consiste à élever ses températures, ce qui augmente suffisamment l'activité de ses atomes pour étirer la liaison carbone-fluorure jusqu'à son point de rupture. Malheureusement, il faut beaucoup plus que de l'ébullition pour se débarrasser du PFAS, selon les ventes.
"Pour briser la liaison extrêmement stable entre le carbone et le fluorure dans le PFAS, vous devez augmenter la température des composés à au moins 1, 000 Celsius—donc 10 fois la température de l'eau bouillante, " a déclaré Sales. " Mais ce n'est clairement pas faisable pour les opérations de traitement de l'eau, en raison de l'énorme quantité d'énergie qu'il consommerait."
L'équipe Drexel propose l'utilisation de gaz hautement énergisé, ou plasma, comme moyen d'activer les atomes de PFAS sans chauffer l'eau.
En non-équilibre, ou plasma "froid", un champ électromagnétique est utilisé pour exciter les électrons dans un gaz sans élever sa température globale. Dans un exemple courant de plasma froid, une lumière fluorescente, les électrons sont excités au point d'émettre de la lumière visible alors que le gaz lui-même reste à température ambiante.
A l'aide d'un plasmatron à arc glissant, Les chercheurs de l'Université Drexel peuvent créer un vortex de plasma froid avec suffisamment d'énergie pour séparer les composés PFAS dans l'eau. Crédit :Université Drexel
Les chercheurs du Nyheim Plasma Institute ont exploité la technologie du plasma hors équilibre pour la décontamination et la stérilisation des produits et de la viande et dans les établissements de soins de santé.
Lâcher prise sur PFAS est l'équivalent chimique de l'utilisation d'un mélangeur pour faire un smoothie.
D'abord, un appareil appelé plasmatron à arc glissant crée un champ électromagnétique rotatif qui active les électrons des bulles de gaz dans l'eau. Les électrons à haute énergie se séparent des espèces chimiques dans l'eau et commencent à émettre un rayonnement ultraviolet. Finalement, le tourbillon d'atomes en rotation, les ions et le rayonnement atteignent un niveau d'activité suffisamment élevé pour rompre la liaison carbone-fluorure dans les composés PFAS, le tout sans élever la température de l'eau.
En seulement une heure de traitement, qui consomme un peu plus d'énergie qu'il n'en faudrait pour faire bouillir une bouilloire, le traitement au plasma à arc glissant peut éliminer plus de 90 pour cent des PFAS de l'eau et défluorer environ un quart des composés, selon l'étude récemment publiée du groupe.
« Ceci n'est qu'un exemple de la façon dont la technologie du plasma froid peut être utilisée de manière efficace et énergétiquement efficace pour résoudre les problèmes difficiles de contamination chimique, " a déclaré Alexandre Fridman, Doctorat., directeur du Nyheim Plasma Institute. "Le plasma froid a le potentiel de nous aider à éliminer une variété de toxines chimiques qui menacent nos approvisionnements en nourriture et en eau potable."
Alors que les méthodes de traitement au plasma pour l'élimination des PFAS ont été testées par d'autres groupes, jusqu'à présent, aucun d'entre eux ne se prête facilement à une mise à l'échelle pour une utilisation dans de grandes installations de traitement, selon les chercheurs de Drexel.
"Maintenant que nous avons prouvé l'efficacité du traitement de l'eau par plasma froid, notre prochaine étape est de continuer à le tester à plus grande échelle, " a déclaré Fridman. " Nous pensons également que la technologie pourrait être ajustée pour traiter les sols contaminés et pour obtenir une défluoration presque complète des composés PFAS. "
