Plasma contre les produits chimiques toxiques PFAS

L'atmosphère plasma est clairement visible dans le réacteur grâce à la lueur caractéristique et aux éclairs. © Fraunhofer IGB

Réacteur à plasma : Un plasma est créé en appliquant une tension à l'électrode en cuivre. L'eau contaminée est pompée vers le haut et circule de nouveau vers le bas à travers un espace dans la zone de décharge du plasma, attaquant ainsi les PFAS. / Plasma reactor : Plasma is created by applying voltage to the copper electrode. Contaminated water is pumped upwards and flows back down through a gap in the plasma discharge zone, attacking the PFAS in the process. © Fraunhofer IGB

Réacteur à plasma : Le plasma est créé en appliquant une tension à l'électrode en cuivre. L'eau contaminée est pompée vers le haut et redescend à travers un espace dans la zone de décharge plasma, attaquant les PFAS dans le processus. © Fraunhofer IGB

Installation pilote pour l'élimination des PFAS. Après les premiers essais réussis, la technologie doit également être optimisée et mise à l'échelle pour des applications pratiques à l'échelle industrielle. © Fraunhofer IGB / Installation pilote pour l'élimination des PFAS. Suite au succès initial des essais, la technologie doit maintenant être optimisée et adaptée à une utilisation pratique à l'échelle industrielle. © Fraunhofer IGB

Les substances chimiques nocives pour la santé PFAS sont désormais détectables dans de nombreux sols et eaux. Leur élimination avec des techniques de filtration classiques est très coûteuse et difficilement réalisable. Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour la technologie des surfaces et des procédés biologiques IGB utilisent avec succès une technologie à base de plasma dans le cadre du projet conjoint AtWaPlas. L'eau contaminée est introduite dans un cylindre combiné en verre et en acier inoxydable, où elle est traitée avec un gaz ionisé – le plasma. Cela réduit les chaînes moléculaires des PFAS, permettant ainsi une élimination économique de cette substance toxique.

Les composés per- et polyfluorés (PFAS, en anglais : per- and polyfluoroalkyl substances) possèdent de nombreuses qualités. Ils sont thermiquement et chimiquement stables, tout en étant résistants à l’eau, à la graisse et à la saleté. En conséquence, on les trouve dans de nombreuses applications quotidiennes : les cartons à pizza sont ainsi recouverts de PFAS ou encore le papier sulfurisé, tout comme les shampoings et crèmes. Dans l'industrie, les PFAS sont utilisés comme agents extincteurs et agents mouillants. En agriculture, ils sont employés dans des produits phytosanitaires. Aujourd'hui, des traces de PFAS peuvent également être détectées là où elles ne devraient pas : dans le sol, les rivières et les eaux souterraines, dans les aliments et dans l'eau potable. Ainsi, ces substances nocives finissent également dans le corps humain. En raison de leur stabilité chimique, l’élimination de ces « produits chimiques éternels » est jusqu’à présent très difficile sans effort considérable.

Le projet conjoint AtWaPlas vise à changer cela. L'acronyme signifie traitement par plasma atmosphérique-eau. Ce projet innovant est actuellement mené à l’Institut Fraunhofer pour la technologie des surfaces et des procédés biologiques IGB à Stuttgart, en collaboration avec le partenaire industriel HYDR.O. Des géologues et ingénieurs d'Aix-la-Chapelle le conduisent. L'objectif est la préparation et la récupération des eaux contaminées par les PFAS par traitement au plasma.

L'équipe de chercheurs dirigée par le Dr Georg Umlauf, expert en surfaces fonctionnelles et matériaux, exploite la capacité du plasma à attaquer les chaînes moléculaires des substances. Le gaz conducteur électrique est généré à partir d’électrons et d’ions par application de haute tension. « Lors de nos essais avec le plasma, nous avons réussi à raccourcir les chaînes moléculaires des PFAS dans l’eau. C’est une étape importante vers une élimination efficace de ces substances tenaces », se réjouit Umlauf.

Cycle de l’eau dans le cylindre en acier inoxydable

Pour cette méthode, les chercheurs du Fraunhofer utilisent une configuration en forme de cylindre. À l’intérieur se trouve un tube en acier inoxydable qui sert d’électrode de masse du circuit électrique. Un réseau de cuivre externe agit comme électrode à haute tension, protégé par un diélectrique en verre à l’intérieur. Entre les deux, il reste un petit espace rempli d’un mélange d’air. En appliquant plusieurs kilovolts de tension, ce mélange d’air se transforme en plasma. Pour l’œil humain, il est visible par sa lumière caractéristique et par des décharges sous forme d’éclairs.

Dans le processus de nettoyage, l’eau contaminée par les PFAS est introduite au fond du réservoir en acier, puis pompée vers le haut. Dans l’espace entre les électrodes, elle coule vers le bas en traversant l’atmosphère plasma électriquement active. Lors de la décharge, le plasma brise les chaînes moléculaires des PFAS, les raccourcissant. L’eau est recyclée en boucle fermée à travers le réacteur plus puissant et la zone de décharge plasma dans l’espace entre les électrodes, chaque passage réduisant davantage les chaînes moléculaires des PFAS jusqu’à leur minéralisation complète. « Idéalement, les substances PFAS nocives sont éliminées de manière si complète qu’elles ne sont plus détectables par spectrométrie de masse. Cela permet également de respecter les réglementations strictes de la réglementation sur l’eau potable concernant la concentration en PFAS », explique Umlauf.

Comparée aux méthodes classiques telles que la filtration par charbon actif, la technologie développée à l’Institut Fraunhofer présente un avantage décisif : « Les filtres à charbon actif peuvent lier les substances nocives, mais ne peuvent pas les éliminer. Il faut donc les remplacer et les éliminer régulièrement. La technologie AtWaPlas, en revanche, peut éliminer ces substances de manière sans résidu, tout en étant très efficace et peu exigeante en maintenance », précise l’expert du Fraunhofer Umlauf.

Vraies échantillons d’eau plutôt que des échantillons synthétiques en laboratoire

Pour garantir une réelle applicabilité, les chercheurs du Fraunhofer testent la purification au plasma dans des conditions quelque peu difficiles. Les méthodes de test conventionnelles utilisent de l’eau parfaitement propre et des solutions synthétiques de PFAS en laboratoire. En revanche, l’équipe de Stuttgart utilise des « vraies » échantillons d’eau provenant de zones contaminées par les PFAS. Ces échantillons sont fournis par le partenaire du projet, HYDR.O. Geologen und Ingenieure GbR d'Aix-la-Chapelle. La société est spécialisée dans la dépollution des sites contaminés et réalise également des simulations hydrodynamiques.

Les échantillons d’eau réels avec lesquels Umlauf et son équipe travaillent contiennent donc, en plus des PFAS, d’autres particules, matières en suspension et substances organiques. « De cette manière, nous nous assurons qu’AtWaPlas prouve son efficacité de nettoyage non seulement avec des échantillons synthétiques en laboratoire, mais aussi dans des conditions réelles avec des qualités d’eau variables. En même temps, nous pouvons ajuster et améliorer en continu les paramètres du processus », explique Umlauf.

La méthode au plasma peut également être utilisée pour décomposer d’autres substances nocives, telles que les résidus de médicaments dans les eaux usées, les pesticides et herbicides, mais aussi les produits chimiques industriels comme le cyanure. Par ailleurs, AtWaPlas peut également être envisagé pour le traitement écologique et économique de l’eau potable dans des applications mobiles.

Le projet conjoint AtWaPlas a débuté en juillet 2021. Après des essais réussis à l’échelle du laboratoire avec un réacteur de 5 litres, l’équipe du Fraunhofer travaille avec le partenaire pour optimiser davantage la méthode. Georg Umlauf déclare : « Notre objectif est maintenant d’éliminer complètement les PFAS toxiques par des temps de traitement prolongés et plusieurs cycles dans le réservoir, et de rendre la technologie AtWaPlas accessible pour une utilisation pratique à grande échelle. » À l’avenir, ces installations pourraient également être installées comme étape de traitement indépendante dans les stations d’épuration ou dans des conteneurs mobiles sur des terrains contaminés en plein air.