2 procédés testés en Allemagne, 90% de PFAS dégradés, eau contaminée traitée, ce résultat impressionnant surprend les experts

Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), en Allemagne, testent deux procédés expérimentaux pour dégrader des PFAS dans l’eau contaminée. La cavitation hydrodynamique a déjà fragmenté environ 37% de PFOS dissous, tandis qu’un plasma atmosphérique a presque totalement dégradé des PFAS à chaînes longues et courtes en laboratoire. Aucune des deux méthodes n’est encore prête pour une exploitation industrielle.

Ces polluants éternels résistent aux traitements classiques, car leurs liaisons carbone-fluor comptent parmi les plus difficiles à rompre en chimie. L’enjeu n’est pas seulement de les capter, mais de les détruire sans créer de sous-produits plus problématiques.

Le HZDR teste deux voies pour casser les liaisons carbone-fluor

Les PFAS, pour substances per- et polyfluoroalkylées, regroupent plus de 10 000 molécules synthétiques utilisées depuis des décennies pour leurs propriétés antiadhésives, déperlantes ou résistantes à la chaleur. Leur point commun est une structure chimique qui les rend très stables, notamment à cause de la liaison carbone-fluor, connue pour sa robustesse. Cette stabilité explique leur persistance dans l’environnement et la difficulté à les éliminer par des procédés standard de traitement de l’eau.

Dans les réseaux d’eaux usées, une partie de ces composés traverse les étapes de dépollution, puis se disperse dans les rivières et, ensuite, vers les milieux marins. Les données de biosurveillance, largement commentées dans la littérature internationale, indiquent que des PFAS sont détectés dans le sang d’une très grande partie des personnes testées. Certains composés sont associés à des risques sanitaires, dont des liens avec certains cancers, tandis que de nombreux autres restent insuffisamment caractérisés. Le constat scientifique dominant est celui d’une accumulation et d’une persistance qui imposent des solutions de destruction, pas seulement de filtration.

Dans ce contexte, l’équipe du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf présente deux procédés de dégradation, décrits comme expérimentaux, publiés dans Chemical Engineering Journal Advances et Scientific Reports. Leur objectif est de fragmenter les PFAS et d’attaquer la partie la plus résistante de ces molécules. Les chercheurs ne parlent pas de déploiement à court terme, mais de résultats jugés suffisamment probants pour justifier des travaux supplémentaires, notamment sur les rendements, l’énergie consommée et les sous-produits.

Les deux approches partagent un principe pratique, concentrer les PFAS sur des interfaces où l’attaque chimique devient plus efficace. Beaucoup de PFAS ont un comportement dit tensioactif, ils ont tendance à se placer aux surfaces, ce qui peut être exploité pour accélérer leur dégradation. C’est précisément ce que cherchent à faire la cavitation et le plasma, chacune à sa manière, avec des avantages et des limites très différents sur le plan énergétique et sur le plan de la sécurité des produits de transformation.

La cavitation hydrodynamique fragmente 37% du PFOS en laboratoire

La première méthode évaluée repose sur la cavitation hydrodynamique. Concrètement, l’eau contaminée est forcée à travers une zone de forte contrainte, une constriction, qui provoque la formation de microbulles de vapeur. Cette étape est centrale, car les PFAS, décrits comme surface-actifs, migrent naturellement vers les interfaces, dont la surface des bulles. Autrement dit, la géométrie et l’hydrodynamique servent à concentrer la pollution là où l’énergie va se libérer.

Lorsque ces bulles passent ensuite dans une zone de pression plus élevée, elles s’effondrent brutalement. Cet effondrement est connu pour générer des points chauds locaux, avec des pics de température de plusieurs milliers de degrés Celsius, sur des durées extrêmement courtes. À ce moment, les molécules adsorbées à la surface des bulles sont exposées à des conditions extrêmes susceptibles de rompre des liaisons très stables. Dans le même temps, l’effondrement favorise la formation de radicaux hydroxyles, espèces très réactives capables d’attaquer des fragments issus de la dégradation initiale.

Les essais rapportés par l’équipe de la chercheuse Ysabel Huaccallo-Aguilar se sont concentrés sur le PFOS, souvent cité comme l’un des PFAS les plus persistants. Dans les conditions de laboratoire décrites, environ 37% des molécules de PFOS dissous ont été dégradées, à un rythme jugé constant pendant l’expérience. Ce chiffre ne signifie pas une élimination totale, mais il indique une cinétique reproductible, élément important pour envisager une montée en performance ou un changement d’échelle.

Les objectifs annoncés pour la suite sont plus ambitieux. Les chercheurs indiquent travailler pour dépasser 80% de dégradation du PFOS, tout en visant la minéralisation d’une part significative du fluor lié, c’est-à-dire la conversion vers des formes inorganiques comme des fluorures. La distinction est importante, car dégrader peut signifier transformer en sous-produits organiques, tandis que minéraliser vise une destruction plus complète du squelette moléculaire. Pour un traitement de l’eau, l’enjeu est de ne pas déplacer le problème en créant des molécules encore mal connues.

Sur le plan opérationnel, la cavitation est souvent considérée comme un procédé potentiellement adaptable, car elle s’appuie sur des éléments mécaniques et hydrauliques, sans nécessiter, dans cette description, l’ajout de réactifs. Mais sa performance dépend fortement de paramètres comme la pression, la géométrie de la constriction, le temps de résidence et la composition réelle de l’eau. Un effluent industriel ou une eau de rivière contient des matières organiques, des sels, des particules, autant de facteurs qui peuvent modifier la formation de bulles, la réactivité des radicaux et l’efficacité globale.

Le plasma atmosphérique dégrade presque totalement PFAS longs et courts

La seconde approche combine un plasma atmosphérique froid et une dispersion de gaz dans l’eau contaminée. Le principe consiste à injecter un gaz dans le volume d’eau, créant des bulles qui remontent vers la surface, pendant qu’un plasma est généré à l’interface air-eau. Dans ce schéma, les PFAS se fixent sur la surface des bulles, puis sont transportés vers la surface, où l’environnement plasma peut les attaquer. Le dispositif exploite, là encore, la propension des PFAS à se concentrer aux interfaces.

Les expériences dirigées par Amit Kumar indiquent une dégradation quasi complète de PFAS à chaîne longue et à chaîne courte dans les conditions testées. La publication mentionne aussi un indicateur clé, environ 35% des atomes de fluor présents dans ces molécules auraient été libérés sous forme de fluorures, décrits comme des sels. Cet élément est suivi de près par la communauté scientifique, car la libération de fluorure suggère une rupture effective de l’architecture fluorée, même si elle ne garantit pas à elle seule l’absence de sous-produits organiques.

Un point mis en avant est l’absence de besoin en catalyseurs ou en produits chimiques supplémentaires, et un fonctionnement à température ambiante, ce qui peut simplifier certaines contraintes d’exploitation. Sur le papier, cela peut réduire les intrants et éviter des étapes de neutralisation. Mais les performances affichées en laboratoire ne préjugent pas du comportement dans des volumes importants, avec des eaux chargées, ni de la robustesse sur des durées longues, avec des variations de débit.

Deux limites majeures sont soulignées par les chercheurs eux-mêmes. D’abord, le procédé plasma consomme davantage d’énergie par unité de volume traité que la cavitation, ce qui pèse directement sur la viabilité économique et sur l’empreinte carbone d’un futur déploiement. Ensuite, il produit une gamme de produits de transformation, dont des composés gazeux, qui n’ont pas encore été évalués du point de vue de la sécurité. Cette question est centrale, car l’histoire des PFAS est aussi celle de substitutions où des molécules de remplacement se sont révélées problématiques après coup.

Les équipes indiquent mener des tests pour déterminer si certains sous-produits présentent un risque sanitaire, et pour identifier des moyens de les prévenir ou de les capter. Dans une perspective réglementaire, un procédé de destruction devra démontrer non seulement qu’il réduit la concentration de PFAS ciblés, mais aussi qu’il ne génère pas de co-polluants persistants. Cela suppose des analyses approfondies, par spectrométrie et par suivi toxicologique, y compris sur des mélanges réalistes de PFAS, plutôt que sur quelques molécules modèles.

Vers un système hybride cavitation-plasma, entre rendement et énergie

Les deux procédés décrits ont un point commun, ils ont montré une dégradation de PFAS en conditions de laboratoire, mais aucun n’est présenté comme prêt à être industrialisé. Les chercheurs évoquent l’idée de combiner cavitation et plasma dans un même système, ce qui revient à chercher une complémentarité entre une méthode potentiellement moins énergivore et une méthode très efficace sur le plan de la dégradation, mais plus coûteuse en énergie et plus complexe en gestion des sous-produits.

Sur le plan technique, un couplage peut se concevoir de plusieurs manières. Une première option serait d’utiliser la cavitation comme prétraitement, pour fragmenter une partie des molécules, accélérer la cinétique et modifier la distribution des composés présents. Le plasma interviendrait ensuite pour attaquer des résidus plus récalcitrants ou des fragments qui se concentrent facilement à l’interface. Une autre option consisterait à faire l’inverse, plasma d’abord pour une réduction rapide des concentrations, puis cavitation pour traiter des sous-produits dissous, avec un suivi analytique serré.

Le choix dépendra d’indicateurs concrets. Les exploitants d’unités de traitement regardent le coût par mètre cube, la maintenance, la sensibilité aux variations de qualité d’eau et la compatibilité avec des filières existantes, comme l’adsorption sur charbon actif ou les résines échangeuses d’ions. Ces solutions de capture concentrent les PFAS mais produisent des médias saturés qu’il faut régénérer ou détruire. Un système hybride de destruction peut devenir intéressant s’il s’intègre après une étape de concentration, en traitant un volume réduit mais fortement chargé, plutôt que de viser un traitement direct de très grands débits.

La question du bilan énergétique devient alors déterminante. La cavitation est décrite comme moins énergivore que le plasma par unité de volume, mais son taux de dégradation sur PFOS est encore partiel dans la configuration testée. Le plasma, lui, semble très performant sur la dégradation, mais son coût énergétique peut être un frein, sans compter l’obligation d’analyser et de contrôler les effluents gazeux. Un système combiné vise typiquement à optimiser ce compromis, en réduisant le temps de plasma nécessaire, tout en profitant de la concentration des PFAS aux bulles et aux surfaces.

Pour passer du laboratoire au terrain, il faudra aussi répondre à des questions de mesure et de contrôle. Les PFAS se présentent rarement seuls, ils forment des mélanges complexes, avec des précurseurs qui se transforment en PFAS terminaux. Un pilote industriel devra suivre non seulement quelques molécules emblématiques comme PFOS, mais aussi des familles plus larges, et vérifier la formation de composés intermédiaires. Les publications citées indiquent une dynamique de recherche encore ouverte, où l’efficacité chimique et la sécurité des sous-produits devront progresser en parallèle avant d’envisager un usage à grande échelle.