Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Université Ritsumeikan présente une méthode permettant de défluorer les PFAS à température ambiante en utilisant la lumière visible, permettant ainsi une décomposition complète de ces produits chimiques nocifs en ions fluor en huit heures, permettant ainsi un recyclage durable du fluor à des fins industrielles.
La technique de défluoration à température ambiante présente une approche prometteuse pour la manipulation des substances perfluoroalkylées.
Les substances perfluoroalkylées (PFAS), communément appelées « substances chimiques éternelles », représentent un risque croissant pour l'environnement et la santé publique. Développés initialement pour le Téflon en 1938, les PFAS et les polymères perfluorés (PF) apparentés ont trouvé une utilisation répandue en raison de leur stabilité et de leur résistance remarquables à la chaleur et à l'eau. Ces caractéristiques les ont rendus indispensables dans de nombreux produits, notamment les ustensiles de cuisine, les vêtements et les mousses anti-incendie. Cependant, cette stabilité même est devenue un problème majeur.
Les PFAS ne se décomposent pas facilement dans l’environnement, ce qui entraîne leur accumulation dans l’eau, le sol et même dans le corps humain, où ils sont connus pour provoquer des effets cancérigènes et des perturbations hormonales. Aujourd’hui, ces produits chimiques sont présents dans les réserves d’eau potable, dans les aliments et même dans le sol de l’Antarctique. Bien qu’il existe des projets visant à éliminer progressivement la production de PFAS, leur traitement reste difficile car ils ne se décomposent qu’à des températures supérieures à 400 °C. Par conséquent, certaines quantités de produits contenant des PFAS et des PF finissent dans des décharges, ce qui peut créer des risques de contamination future.
Recherche innovante sur la défluoration
Une méthode de défluoration à température ambiante proposée par des chercheurs de l'Université de Ritsumeikan pourrait révolutionner le traitement des PFAS. Leur étude, publiée dans la revue Angewandte Chemie International Editiondétaille une méthode photocatalytique qui utilise la lumière visible pour décomposer les PFAS et autres polymères fluorés (PF) à température ambiante en ions fluor. Grâce à cette méthode, les chercheurs ont obtenu une défluoration à 100 % du perfluorooctanesulfonate (PFOS) en seulement 8 heures d'exposition à la lumière.
« La méthodologie proposée est prometteuse pour la décomposition efficace de diverses substances perfluoroalkylées dans des conditions douces, contribuant ainsi de manière significative à l'établissement d'une société durable de recyclage du fluor », déclare le professeur Yoichi Kobayashi, auteur principal de l'étude.
Les substances perfluoroalkylées et les polymères fluorés sont efficacement décomposés en ions fluorure dans des conditions ambiantes en irradiant de la lumière LED visible sur des nanocristaux semi-conducteurs. La décomposition est provoquée par des mécanismes coopératifs impliquant le déplacement de ligand induit par la lumière et l'injection d'électrons induite par Auger, utilisant des électrons hydratés et des états excités plus élevés. Crédit : Professeur Yoichi Kobayashi de l'Université Ritsumeikan, Japon
Détails de la méthode photocatalytique
La méthode proposée consiste à irradier de la lumière LED visible sur des nanocristaux de sulfure de cadmium (CdS) et des nanocristaux de CdS dopés au cuivre (Cu-CdS) avec des ligands de surface de mercaptopropionique acide (MPA) dans une solution contenant des PFAS, des PF et de la triéthanolamine (TEOA). Les chercheurs ont découvert que l'irradiation de ces nanocristaux semi-conducteurs génère des électrons à haut potentiel de réduction qui brisent les fortes liaisons carbone-fluor des molécules de PFAS.
Pour la réaction photocatalytique, les chercheurs ont ajouté 0,8 mg de nanocristaux de CdS (NC), 0,65 mg de PFOS et 20 mg de TEOA à 1,0 ml d'eau. Ils ont ensuite exposé la solution à une lumière LED de 405 nanomètres pour initier la réaction photocatalytique. Cette lumière excite les nanoparticules, générant des paires électron-trou et favorisant l'élimination des ligands MPA de la surface des nanocristaux, créant ainsi un espace pour que les molécules de PFOS s'adsorbent sur la surface du NC.
Pour empêcher les électrons photoexcités de se recombiner avec des trous, du TEOA est ajouté pour capturer les trous et prolonger la durée de vie des électrons réactifs disponibles pour la décomposition des PFAS. Ces électrons subissent un processus de recombinaison Auger, où un exciton (une paire électron-trou) se recombine de manière non radiative, transférant son énergie à un autre électron et créant des électrons hautement excités. Ces électrons hautement excités possèdent suffisamment d'énergie pour participer à des réactions chimiques avec les molécules de PFOS adsorbées sur la surface du NC. Les réactions conduisent à la rupture des liaisons carbone-fluor (CF) dans le PFOS, ce qui entraîne l'élimination des ions fluor des molécules de PFAS.
La présence d'électrons hydratés, générés par recombinaison Auger, a été confirmée par des mesures de photolyse flash laser, qui ont identifié des électrons transitoires espèces basé sur le spectre d'absorption lors de l'excitation par impulsion laser. L'efficacité de la défluoration dépendait de la quantité de NC et de TEOA utilisée dans la réaction et augmentait avec la durée d'exposition à la lumière. Pour le PFOS, l'efficacité de la défluoration était de 55 %, 70-80 % et 100 % pour une irradiation lumineuse de 1, 2 et 8 heures, respectivement. En utilisant cette méthode, les chercheurs ont également réussi à obtenir une défluoration de 81 % du Nafion, un fluoropolymère, après 24 heures d'irradiation lumineuse. Le Nafion est largement utilisé comme membrane échangeuse d'ions dans l'électrolyse et les batteries.
Le fluor est un composant essentiel dans de nombreuses industries, des produits pharmaceutiques aux technologies énergétiques propres. En récupérant le fluor des déchets de PFAS, nous pouvons réduire notre dépendance à la production de fluor et établir un processus de recyclage plus durable. « Cette technique contribuera au développement de technologies de recyclage des éléments fluorés, qui sont utilisés dans diverses industries et soutiennent notre société prospère », conclut le professeur Kobayashi.
L’étude a été financée par l’Agence japonaise pour la science et la technologie, la Société japonaise pour la promotion de la science et l’Université de Kyushu.
