Les chercheurs de l'Université Rice, en collaboration avec des partenaires internationaux, ont développé la première technologie respectueuse de l'environnement pour capturer et détruire rapidement les « produits chimiques permanents » (PFAS) toxiques dans l'eau. Les résultats, récemment publiés dans Matériaux avancésmarquent une étape majeure vers la lutte contre l'une des menaces environnementales les plus persistantes au monde.
L'étude a été dirigée par Youngkun Chung, chercheur postdoctoral sous le mentorat de Michael S. Wong, professeur à la George R. Brown School of Engineering and Computing de Rice, et menée en collaboration avec Seoktae Kang, professeur à l'Institut avancé coréen des sciences et technologies (KAIST), et Keon-Ham Kim, professeur à l'Université nationale de Pukyung en Corée du Sud.
Les PFAS, abréviation de substances per- et polyfluoroalkyles, sont des produits chimiques synthétiques fabriqués pour la première fois dans les années 1940 et utilisés dans des produits allant des poêles en téflon aux vêtements imperméables et aux emballages alimentaires. Leur capacité à résister à la chaleur, à la graisse et à l’eau les rend précieux pour l’industrie et les consommateurs. Mais cette même résistance signifie qu’ils ne se dégradent pas facilement, ce qui leur vaut le surnom de « produits chimiques éternels ».
Aujourd’hui, les PFAS se trouvent dans l’eau, le sol et l’air du monde entier. Des études les relient à des lésions hépatiques, à des troubles de la reproduction, à des perturbations du système immunitaire et à certains cancers. Les efforts de nettoyage des PFAS ont été difficiles à éliminer et à détruire une fois rejetés dans l’environnement.
Limites de la technologie actuelle
Les méthodes traditionnelles de nettoyage des PFAS reposent généralement sur l’adsorption, où les molécules s’accrochent à des matériaux comme le charbon actif ou les résines échangeuses d’ions. Bien que ces méthodes soient largement utilisées, elles présentent des inconvénients majeurs : une faible efficacité, des performances lentes, une capacité limitée et la création de déchets supplémentaires qui doivent être éliminés.
« Les méthodes actuelles d'élimination des PFAS sont trop lentes, inefficaces et créent des déchets secondaires », a déclaré Wong, professeur Tina et Sunit Patel en nanotechnologie moléculaire et professeur de génie chimique et biomoléculaire, de chimie et de génie civil et environnemental. « Notre nouvelle approche offre une alternative durable et très efficace. »
Un matériau aux promesses concrètes
L'innovation de l'équipe dirigée par Rice se concentre sur un matériau à double hydroxyde (LDH) en couches à base de cuivre et d'aluminium, découvert pour la première fois par Kim alors qu'il était étudiant diplômé au KAIST en 2021. En expérimentant ces matériaux, Chung a découvert qu'une formulation contenant du nitrate pouvait adsorber les PFAS avec une efficacité record.
« À mon grand étonnement, ce composé LDH a capturé les PFAS plus de 1 000 fois mieux que d'autres matériaux », a déclaré Chung, auteur principal de l'étude et maintenant membre de l'Institut WaTER (Technologies de l'eau, entrepreneuriat et recherche) et de l'Institut de durabilité de Rice. « Il a également fonctionné incroyablement rapidement, éliminant de grandes quantités de PFAS en quelques minutes, environ 100 fois plus rapidement que les filtres à charbon commerciaux. »
L'efficacité du matériau provient de sa structure interne unique. Ses couches organisées de cuivre-aluminium combinées à de légers déséquilibres de charge créent un environnement idéal pour que les molécules PFAS se lient avec vitesse et force.
Pour tester le caractère pratique de la technologie, l'équipe a évalué le matériau LDH dans l'eau de rivière, l'eau du robinet et les eaux usées. Dans tous les cas, il s'est avéré très efficace, fonctionnant bien dans les systèmes à flux statique et continu. Les résultats suggèrent un fort potentiel pour des applications à grande échelle dans le traitement des eaux municipales et le nettoyage industriel.
Boucler la boucle : capturer et détruire
L’élimination des PFAS de l’eau n’est qu’une partie du défi. Les détruire en toute sécurité est tout aussi important. En collaboration avec les professeurs Pedro Alvarez et James Tour de Rice, Chung a développé une méthode pour décomposer thermiquement les PFAS capturés sur le matériau LDH. En chauffant le matériau saturé avec du carbonate de calcium, l’équipe a éliminé plus de la moitié des PFAS piégés sans libérer de sous-produits toxiques. Remarquablement, le processus a également régénéré la LDH, lui permettant d’être réutilisée plusieurs fois.
Des études préliminaires ont montré que le matériau pouvait effectuer au moins six cycles complets de capture, de destruction et de renouvellement, ce qui en fait le premier système écologique et durable connu pour l'élimination des PFAS.
« Nous sommes enthousiasmés par le potentiel de cette technologie unique basée sur la LDH pour transformer la façon dont les sources d'eau contaminées par les PFAS sont traitées dans un avenir proche », a déclaré Wong. « C'est le résultat d'une collaboration internationale extraordinaire et de la créativité de jeunes chercheurs. »
