En bref
Des chercheurs ont mis au point un filtre qui attire plusieurs polluants présents dans l’eau et aide ensuite à les décomposer. Après 58 jours d’essai, il avait éliminé jusqu’à 96 % des polluants ciblés et transformé une partie de leur composition. La méthode est prometteuse, mais elle doit encore être améliorée, notamment parce qu’elle utilise du palladium, un métal coûteux.
Du retrait des polluants à leur décomposition
Les PFAS sont une vaste famille de substances contenant des liaisons entre des atomes de carbone et de fluor. Ces liaisons sont particulièrement solides, ce qui rend les PFAS difficiles à décomposer avec les traitements classiques. On les surnomme parfois les « polluants éternels » : cela ne signifie pas qu’ils ne peuvent jamais changer, mais que leur résistance à la dégradation complique leur élimination.
Le charbon actif, les résines échangeuses d’ions et la filtration par membranes peuvent retirer les PFAS de l’eau. Mais les faire disparaître du liquide ne signifie pas nécessairement les détruire. Ils peuvent se retrouver concentrés dans un matériau usagé ou dans un flux de déchets qu’il faudra ensuite traiter. Une méthode peut donc réduire la pollution de l’eau à un endroit tout en laissant derrière elle des déchets contaminés à collecter, à stocker ou à traiter davantage.
La nouvelle approche vise à faire de la membrane bien plus qu’une simple barrière séparant les polluants de l’eau. Sa surface capture les molécules et porte aussi un catalyseur chimique qui permet à de l’hydrogène réactif d’agir sur elles. Le retrait des atomes de fluor d’une molécule grâce à l’hydrogène s’appelle l’hydrodéfluoration. L’objectif est ainsi d’aller au-delà du simple transfert des PFAS d’un endroit à un autre.
Des fibres qui réunissent polluants et hydrogène
Le système est constitué de fibres membranaires recouvertes de palladium, un métal qui joue ici le rôle de catalyseur. De l’hydrogène gazeux circule à travers les fibres et atteint la couche de palladium. Deux formes d’hydrogène réactif se forment alors. Elles occupent des endroits différents et n’ont pas le même rôle dans le matériau, mais contribuent ensemble au traitement des polluants.
La première forme se trouve à la surface du palladium. Elle aide à attirer les PFAS et à les retenir près du site où la réaction se produit. La seconde pénètre dans le palladium, où elle est stockée sous la forme d’hydrure de palladium de phase bêta. Cette réserve contribue à fournir l’impulsion nécessaire aux réactions d’hydrodéfluoration. Le système ne compte donc pas uniquement sur le passage fugitif d’un polluant à proximité d’un catalyseur : il rassemble le polluant et l’hydrogène dans un même environnement de surface, puis tire parti de l’hydrogène stocké dans le métal.
On peut se représenter le dispositif comme un minuscule poste de travail installé sur les fibres de la membrane : sa surface attire les molécules ciblées, l’hydrogène les rejoint, puis la réaction chimique se déroule à proximité de leur point de rencontre. Cette image ne signifie toutefois pas que toutes les molécules sont décomposées de la même manière. Les résultats varient selon les composés, et le taux d’élimination n’est pas identique au taux de défluoration.
Pour examiner les transformations à l’intérieur du matériau, l’équipe a effectué des analyses à l’état solide. Elles ont révélé la formation d’hydrure de palladium et mis en évidence une dilatation de la structure cristalline du palladium liée au stockage de l’hydrogène. Ces observations aident à comprendre comment l’hydrogène réactif est produit, stocké puis utilisé dans la membrane. Elles apportent des informations complémentaires à la simple mesure de la quantité de polluant qui a disparu de l’eau.
Six composés mis à l’épreuve pendant 58 jours
Les chercheurs ont testé la membrane sur six composés présentant un intérêt réglementaire : PFOA, PFOS, PFNA, PFHxS et PFBS, ainsi que GenX. Le système a fonctionné sans interruption pendant 58 jours. Au cours de l’expérience, le taux d’élimination des polluants ciblés a atteint au maximum 96 %, tandis que le taux de défluoration s’est élevé à 83 %.
Ces deux chiffres correspondent à des étapes différentes du traitement. Le taux d’élimination indique quelle quantité de polluant n’était plus présente dans l’eau en sortie, selon les mesures de l’expérience. Le taux de défluoration, lui, renseigne sur la transformation chimique visant les liaisons entre le carbone et le fluor. Il ne faut donc pas interpréter le seul taux d’élimination comme la preuve que tout ce qui a quitté l’eau a été entièrement décomposé. L’autre mesure indique dans quelle proportion la transformation chimique visée a eu lieu.
Les meilleurs taux ne signifient pas non plus que chacun des six composés a donné les mêmes résultats. L’efficacité de la membrane dépendait de la structure des molécules. Les PFAS à longue chaîne ont été éliminés et défluorés plus rapidement que leurs équivalents à chaîne courte. Cette différence compte lorsqu’on envisage de traiter une eau contenant un mélange de polluants : ceux-ci ne réagissent pas nécessairement tous de la même façon au contact de la membrane.
Pourquoi GenX s’est-il montré plus résistant ?
Parmi les composés testés, GenX a été plus difficile à traiter que les autres. La membrane n’a toutefois pas échoué à agir sur lui : elle a permis de l’éliminer et de le défluorer, et le traitement a produit de l’acide 2-propoxypropanoïque. Ce résultat rappelle que l’évaluation d’une méthode ne se résume pas à constater si elle agit ou non. Il faut aussi mesurer la vitesse de la réaction et le degré de transformation atteint pour chaque substance.
Les chercheurs attribuent la résistance de GenX à plusieurs caractéristiques : la présence d’une liaison éther, une adsorption plus faible à la surface du palladium que pour d’autres composés, ainsi qu’une énergie moyenne plus élevée nécessaire pour rompre ses liaisons carbone-fluor. Si une molécule se fixe moins facilement à la surface du catalyseur, elle peut être moins souvent à proximité des sites où se déroulent les réactions. Et si ses liaisons sont plus difficiles à rompre, sa décomposition représente un défi supplémentaire. Ces facteurs aident à comprendre les différences observées entre les molécules, sans qu’un seul d’entre eux explique à lui seul tous les écarts.
La comparaison entre les PFAS à chaîne longue et ceux à chaîne courte, ainsi qu’entre ces composés et GenX, montre qu’il faut tenir compte de l’identité de chaque polluant au moment de concevoir un traitement. La structure chimique peut influer sur la façon dont une molécule adhère à la membrane et sur la facilité avec laquelle elle perd ses atomes de fluor. L’expérience démontre que la méthode peut agir sur six composés, mais elle ne prouve pas que son efficacité sera la même pour toutes les substances de cette vaste famille.
En quoi cette méthode est-elle différente ?
L’intérêt du système tient à l’association, sur une même plateforme, du piégeage des polluants et de leur transformation chimique. Dans de nombreux procédés de séparation, l’objectif est de retirer les contaminants de l’eau, mais il reste ensuite à traiter le matériau qui les a capturés. La membrane catalytique vise au contraire à déclencher la réaction directement à la surface où les polluants sont retenus, en tirant parti des interactions entre le palladium, les PFAS et l’hydrogène.
D’après l’étude, le système fonctionne dans des conditions ambiantes, ce qui le distingue de certaines solutions nécessitant des conditions d’exploitation plus extrêmes. Cette caractéristique ne suffit cependant pas à déterminer son coût de fonctionnement ni sa facilité de déploiement à grande échelle. Une application concrète nécessiterait d’autres évaluations techniques et opérationnelles, qui ne figurent pas dans les résultats présentés. De même, un essai continu de 58 jours constitue une évaluation prolongée dans le cadre de l’étude, mais ne prouve pas à lui seul que les performances resteront stables dans toutes les eaux ni sur une période plus longue.
L’étude a été dirigée par Bruce Rittmann, directeur du Center for Environmental Biotechnology au Biodesign Institute de l’Arizona State University. Des chercheurs de Rice University, Tongji University, National University of Singapore et Nanjing University ont également participé aux travaux. Publiée dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences, l’étude porte sur la mise au point de membranes catalytiques utilisant de l’hydrogène réactif pour piéger six composés de la famille des PFAS et en retirer le fluor.
Du laboratoire aux flux de déchets concentrés
L’équipe ne présente pas cette membrane comme un remplacement immédiat de toutes les méthodes actuelles d’élimination des PFAS. Elle pourrait notamment servir à traiter les flux de déchets concentrés produits par certains systèmes de traitement existants. Dans ce scénario, la nouvelle technologie agirait sur un liquide ou des résidus dans lesquels les polluants ont déjà été rassemblés, plutôt que de remplacer d’un seul coup toutes les étapes du traitement.
Un obstacle pratique est toutefois évident : le palladium coûte cher. Réduire la quantité de métal nécessaire tout en préservant la capacité de capture et de transformation sera donc un enjeu important pour la mise au point du système. Les performances obtenues en laboratoire ne suffisent pas à déterminer si la technologie est adaptée à un déploiement à grande échelle. Il faudra aussi vérifier que la quantité de catalyseur, le coût d’exploitation et le traitement des produits obtenus restent raisonnables pour l’usage envisagé.
Les chercheurs travaillent également à la mise au point de membranes hybrides associant le palladium à des bactéries capables de décomposer les polluants. Il s’agit toutefois d’une piste de recherche connexe, et non d’une description du système testé dans la présente étude. La membrane qui a donné des résultats pendant 58 jours repose sur le palladium et l’hydrogène, pas sur des micro-organismes. Il importe de distinguer ces deux pistes afin de ne pas attribuer à l’expérience actuelle des éléments qui n’en faisaient pas partie.
Conclusion
Les membranes recouvertes de palladium proposent une nouvelle façon de traiter les PFAS : les retirer de l’eau tout en tentant de rompre leurs liaisons chimiques, plutôt que de simplement les concentrer dans d’autres déchets. Lors d’un essai de 58 jours portant sur six composés, dont GenX, le taux d’élimination a atteint 96 % et le taux de défluoration, 83 %. Les résultats variaient nettement selon la structure des molécules : les composés à longue chaîne ont été traités plus rapidement, tandis que GenX s’est montré plus résistant, tout en produisant de l’acide 2-propoxypropanoïque après traitement. Pour passer à une application pratique, il faudra notamment réduire la quantité de palladium utilisée et évaluer le système dans les contextes adaptés, par exemple pour traiter des flux de déchets concentrés. Ces résultats ouvrent une piste prometteuse, mais ne constituent pas encore une solution définitive à toutes les formes de pollution de l’eau par les PFAS.