Augmenter la surface d'interaction du plasma et de l'eau pourrait aider à développer une technologie qui détruit les contaminants tels que les PFAS, les détergents et les contaminants microbiens dans l'eau potable, selon une nouvelle recherche de l'Université du Michigan.
Dans certaines conditions, lorsque le plasma entre en contact avec l’eau, il peut s’auto-organiser, formant des motifs complexes ressemblant à des étoiles, des roues de chariot ou des engrenages qui élargissent la zone de contact. Bien que la physique de l’auto-organisation du plasma reste insaisissable, une meilleure compréhension peut aider à l’exploiter pour une décontamination plus efficace de l’eau.
L’équipe de recherche de l’UM a capturé les premières images de la surface de l’eau sous le plasma auto-organisé, révélant que le plasma exerce une force électrique sur l’eau qui déforme la surface et génère également des ondes de surface.
Les résultats suggèrent que la forme et la taille des ondes sont affectées par la vitesse de chauffage du gaz et les propriétés électriques de l'eau, qui pourraient être manipulées pour favoriser de plus grandes surfaces de plasma afin de traiter plus d'eau à la fois. L'étude est publiée dans Science et technologie des sources de plasma.
Détruire à jamais les produits chimiques
Les PFAS, largement connus sous le nom de produits chimiques éternels, ont été introduits dans les produits pour leurs propriétés de résistance à la chaleur et aux taches. C'est un composant clé des mousses anti-incendie et des revêtements antiadhésifs des casseroles et poêles. Cependant, ces mêmes propriétés, entraînées par de fortes liaisons carbone-fluor, font que le composé résiste à la décomposition une fois jeté.
À mesure que les PFAS s’infiltrent dans l’environnement dans les sources d’eau souterraines et de surface, cette eau est absorbée par les cultures et les animaux. Il s’accumule dans les tissus humains et augmente avec le temps le risque de formation de cancer et d’autres effets négatifs sur la santé tels que les perturbations endocriniennes.
Des recherches récentes ont montré que le plasma peut détruire les PFAS lorsqu’il est injecté dans de l’eau contaminée. Le plasma, un gaz activé produit dans l'air ordinaire à pression atmosphérique, est composé d'électrons énergétiques, d'ions et d'espèces excitées. L’énergie réside essentiellement dans les électrons, les ions et les photons de faible masse. Dans ce cas, les plasmas non thermiques sont produits par des impulsions rapides à haute tension. L'eau en contact avec de tels plasmas n'est donc pas chauffée et, en fait, ces plasmas sont même suffisamment doux pour traiter des tissus biologiques dans un domaine appelé médecine des plasmas.
Au contact de l’eau, le plasma froid produit des ions, des électrons solvatés, des molécules excitées, des ondes ultrasonores, des ondes de choc et des rayons UV qui peuvent rompre la liaison fluor-carbone. Cet exploit est impressionnant étant donné que la liaison carbone-fluor est la liaison la plus forte de la chimie organique. Les processus énergétiques du plasma brisent également la structure des chaînes carbonées qui composent les composés PFAS, créant des molécules plus petites, minéralisant les PFAS en restes inoffensifs. Les méthodes conventionnelles de traitement de l’eau ne peuvent pas détruire cette toxine, c’est pourquoi les méthodes avancées sont essentielles.
« Les démonstrations en laboratoire montrent que le plasma froid peut éliminer de nombreux contaminants présents dans l'eau, les éliminant presque complètement. Cela ouvre une nouvelle opportunité pour traiter ces produits chimiques existants », a déclaré John Foster, professeur de génie nucléaire, de sciences radiologiques et de génie aérospatial à l'UM et auteur principal de l'étude.
Bien que cette approche soit efficace, l’injection de plasma est gourmande en énergie et coûteuse, ce qui rend difficile son introduction à l’échelle industrielle.
Modèles d'inversion d'entropie
Au lieu de se dissiper comme les ondulations d’une goutte de pluie à la surface d’un étang, les modèles de plasma deviennent plus complexes à mesure qu’ils rayonnent vers l’extérieur. Dans ces modèles d’inversion de l’entropie, une plus grande partie de la surface de l’eau entre en contact avec le plasma.
« Ces processus sont régis par la thermodynamique hors équilibre. Ici, l'énergie et les espèces réactives sont déposées par le plasma localement dans un système ouvert, de sorte que la concentration des espèces déposées ne s'approche jamais de l'équilibre thermodynamique car les réactifs ne peuvent pas s'accumuler. Sans épuisement des réactifs, ces systèmes ouverts sont susceptibles de s'auto-organiser. Ces empreintes de motifs sont plus grandes et peuvent donc être utilisées pour augmenter la zone de contact du plasma », a déclaré Foster.
S’il était possible de manipuler ces modèles, ils pourraient aider à traiter plus efficacement de plus grands volumes d’eau.
Lors de l'étude des motifs auto-organisés, un plafonnier a attiré l'attention d'un chercheur, lui permettant de remarquer que l'eau sous le plasma était texturée, de la même manière que le reflet du soleil sur les ondulations d'une piscine montre que la surface n'est pas plate.
« La surface liquide déformée avait toujours été là, mais j'ai soudainement réalisé en regardant la surface liquide sous un certain angle. La science est partout, pure et cohérente », a déclaré Zimu Yang, docteur en génie nucléaire et en sciences radiologiques à l'UM et premier auteur de l'étude.
Capturer les modèles d'eau ci-dessous
Comme les interactions plasma-eau se produisent en 10 microsecondes environ, soit 10 millionièmes de seconde, l'équipe de recherche a développé une configuration de caméra spécialisée à grande vitesse pour capturer le moment de perturbation de la surface.
Dans le cadre expérimental, un jet de plasma est positionné à quelques millimètres seulement au-dessus de la surface de l’eau. Un laser moucheté pointe vers l'eau sous un angle, garantissant que la caméra capturera la façon dont les modèles d'ondes résultants reflètent la lumière.
Les chercheurs ont synchronisé la caméra à grande vitesse avec les impulsions rapides du jet de plasma à haute tension pour capturer le moment exact où le plasma et l'eau interagissent. Les images ont révélé que le plasma repousse l’eau via un champ électrique, créant une image miroir des forces électriques provenant du motif de plasma situé au-dessus.
Pour comprendre comment les modèles évoluent, les chercheurs ont répété l’expérience plusieurs fois tout en augmentant le temps entre l’impulsion et la capture par la caméra. Des tirs précisément chronométrés ont confirmé que c'est le motif du plasma qui provoque la déformation de l'eau, et non l'inverse. À la limite du motif, des ondes de surface se forment. Les ondes résultantes sont entraînées par le motif du plasma et pourraient être modifiées en ajustant le débit de gaz et la vitesse de chauffage du plasma.
« Si cela pouvait être contrôlé et peut-être élargi, les méthodes plasma pourraient être étendues pour traiter de plus grands volumes et finalement être intégrées dans les usines de traitement de l'eau pour éliminer les contaminants, y compris les PFAS », a déclaré Yang.
