Ces fragments en plastique minuscules, généralement définis comme des particules de moins de 5 millimètres, ont été détectés dans des réservoirs d'eau douce, des aquifères d'eau souterraine, des zones côtières, voire des carottes de glace polaires éloignées. Leur ubiquité provient d'un large éventail de sources : cosmétiques et produits de soins personnels, fibres synthétiques, usure des pneus, granulés industriels et fragmentation lente des débris plastiques plus importants.Une fois libérés dans l'environnement, les microplastiques résistent à la dégradation naturelle, persistent pendant des décennies et peuvent adsorber des produits chimiques toxiques, devenir vecteurs de polluants.Les conséquences pour la santé des humains – perturbation endocrinienne, inflammation, stress oxydatif et transfert potentiel dans les tissus par ingestion ou inhalation – font encore l'objet d'une étude active, mais le principe de précaution exige une atténuation urgente.

Les procédés traditionnels de traitement de l'eau, tels que la filtration conventionnelle du sable, la coagulation avec l'alun et la floculation, n'ont pas été conçus en tenant compte des microplastiques. Leur petite taille et leur faible densité permettent à de nombreuses particules de passer par des filtres et des clarificateurs standard, atteignant souvent des taux d'élimination inférieurs à 70 % pour les particules de moins de 100 micromètres.

Comprendre les microplastiques et la sédimentation

La sédimentation est une opération unitaire fondamentale dans le traitement de l'eau, en se fondant sur la différence de densité entre les particules et l'eau pour favoriser le dépôt sous la gravité. La vitesse de décantation terminale d'une particule est régie par la loi Stokes, qui montre que la vitesse augmente avec le carré du diamètre des particules et la différence de densité. Les microplastiques, cependant, sont problématiques: leur densité (0,9–1,5 g/cm3) chevauche souvent avec l'eau, en particulier le polyéthylène et le polypropylène, et leurs formes irrégulières et leurs propriétés de surface entravent l'agrégation.

Pour surmonter ces limites, des approches novatrices de sédimentation modifient les caractéristiques des particules (taille, densité, charge de surface) ou appliquent des forces externes pour accélérer et améliorer le dépôt.

Types et sources de microplastiques

Les microplastiques primaires sont fabriqués à des dimensions microscopiques pour des usages spécifiques : microbilles dans des gommages exfoliants, granulés de plastique pour le moulage par injection et fibres de textiles synthétiques.Les microplastiques secondaires résultent de l'altération et de la fragmentation de plus grands articles en plastique, tels que sacs, bouteilles, filets de pêche et films agricoles, dans l'environnement.Les polymères communs comprennent le polyéthylène (PE), le polypropylène (PP), le polystyrène (PS), le chlorure de polyvinyle (PVC), le polyamide (PA) et le polyester (PSE). Leurs densités vont de moins que l'eau (PE, PP) à presque neutre ou légèrement plus dense (PET, PVC).

Défis de la sédimentation conventionnelle

Bien que cela fonctionne bien pour les argiles et la matière organique, les microplastiques sont notoirement difficiles à coaguler. Beaucoup de microplastiques ont des surfaces hydrophobes et des charges de surface faibles, résistant à la liaison avec des coagulants à base de métaux comme l'alun ou le chlorure ferrique. De plus, la présence de matière organique naturelle (NOM) et d'autres colloïdes crée une concurrence pour la demande de coagulants. Par conséquent, l'élimination des microplastiques de moins de 10 μm est souvent faible, à moins que l'on n'utilise de fortes doses de coagulant et de polymères, ce qui augmente le volume des boues et les coûts chimiques.

Techniques innovantes de sédimentation

Une nouvelle génération de techniques de sédimentation a été développée spécifiquement pour cibler les microplastiques.Ces méthodes reposent sur une floculation accrue, la séparation magnétique, le ballastage, l'électrocoagulation et l'utilisation d'additifs bio.Chaque approche vise à surmonter les barrières physiques et chimiques qui empêchent les microplastiques de se déposer naturellement.

Flotte accrue utilisant des coagulants nouveaux

L'ajout de coagulants spécialisés (dérivés de polyacrylamide, chitosan (un biopolymère issu de coquilles de crustacés), de polyDAMAC et de floculants végétaux (ex. : extrait de graines de Moringa oléifera, tanins) peut améliorer significativement l'agrégation microplastique. Ces floculants agissent en reliant les particules, en augmentant la résistance aux flocons et en neutralisant les charges de surface. Par exemple, les microplastiques liés au chitosan forment des flocs denses et rapidement en tassement. Des recherches récentes montrent qu'un système à double coagulant combinant chlorure ferrique et polyacrylamide anionique peut permettre d'éliminer plus de 90 % des microplastiques PE et PP dans les essais en laboratoire, avec des concentrations de floc dépassant 500 μm.

Les coagulants biodégradables sont particulièrement attrayants pour minimiser la pollution secondaire. Chitosan, dérivé des déchets de pêche, est non toxique et efficace sur une large gamme de pH.Ses amines regroupent le protonate dans des conditions acides, s'attachant à des surfaces microplastiques chargées négativement.Les options basées sur la plante, comme des extraits de Moringa oléifera, contiennent des protéines cationiques qui agissent comme coagulants naturels et peuvent être produites localement à faible coût.

Facteurs influant sur la floculation accrue

  • Type et dose de coagulant: Les sels métalliques nécessitent des doses plus élevées pour les microplastiques en raison du faible potentiel de zêta; les polymères organiques sont plus efficaces à des doses plus faibles.
  • Intensité de fusion:[ Un mélange rapide initialise la coagulation; une floculation lente favorise la croissance.
  • pH et résistance ionique:[ L'adsorption et la neutralisation de la charge sont fortement dépendantes du pH; les conditions optimales varient selon le type de polymère.
  • Présence de NOM:[ La matière organique compétitrice peut séquestrer la demande chimique; la préozonation peut aider.

Sédimentation magnétique avec nanoparticules fonctionnelles

La sédimentation magnétique harcele les champs magnétiques externes pour séparer rapidement les microplastiques de l'eau après qu'ils sont liés aux particules magnétiques. Le matériau central, typiquement l'oxyde de fer (Fe3O4 ou γ-Fe2O3) nanoparticules, est enduit d'un produit chimique ou polymère sélectif qui adsorbe les microplastiques. Les revêtements courants comprennent l'acide oléique, la silice ou les surfactants cationiques qui améliorent la liaison aux surfaces hydrophobes ou en plastique chargé. Une fois les nanocarriers magnétiques ajoutés et mélangés, ils se fixent aux microplastiques par des interactions hydrophobes, des attractions électrostatiques ou des forces de van der Waals. La suspension passe ensuite par un séparateur magnétique à haut gradient (HGMS) avec une matrice de laine ou de tiges d'acier.

La sédimentation magnétique présente plusieurs avantages : traitement rapide (minutes au lieu d'heures), efficacités d'élimination élevées supérieures à 95 % pour les particules aussi petites que 1 μm et production minimale de boues chimiques parce que les particules magnétiques peuvent être régénérées et réutilisées après la désorption des microplastiques. La régénération implique généralement le lavage à l'éthanol ou à un solvant organique, suivi d'une récupération magnétique. Par exemple, une étude utilisant des nanoparticules Fe3O4 revêtues de polyéthyléamine a permis d'éliminer 99 % des microsphères de polystyrène (2 μm) à une dose de 0,5 g/L sous un champ magnétique de 0,4 T. Le processus est économe en énergie pour les petits à moyens débits, mais l'échelle des MGMH aux volumes de traitement municipaux demeure un défi en raison du coût élevé en capital et de la nécessité de nettoyer périodiquement la matrice magnétique.

Floculation ballastée avec microsand ou milieu dense

Les particules de ballast, généralement de 50 à 150 μm de diamètre, sont incorporées dans la structure du floculation pendant la floculation. Comme la densité du ballast est élevée (2,6 g/cm3 pour le sable), les flocs qui en résultent sont petits mais extrêmement denses, ce qui permet d'obtenir des vitesses de décantation 10 à 50 fois plus rapides que les flocs classiques.

Dans la floculation lestée à microplastique, on dose un coagulant et un polymère, puis on injecte du microsable. Les flocons se développent autour des grains de sable, en incorporant des microplastiques. Après un tassement rapide (3–8 m/h), le microsable est récupéré des boues à l'aide d'hydrocyclones et recyclés. Les études montrent des efficacités d'élimination pour les fibres de polyéthylène et de polypropylène de 85–95% aux temps de rétention hydraulique de 15–30 minutes. L'empreinte compacte – 2–3 fois plus petite que la sédimentation conventionnelle – rend les systèmes lestés attrayants pour la modernisation des installations existantes.

Électrocoagulation pour l'enlèvement des microplastiques

L'électrocoagulation (EC) utilise un courant direct appliqué aux électrodes sacrificielles (aluminium ou fer) pour libérer in situ des ions métalliques coagulants. Le procédé produit également des bulles de gaz d'hydrogène qui peuvent aider à la flottation, mais avec une étape de floculation, les hydroxydes métalliques forment des flocons lourds qui se déposent. EC offre plusieurs avantages : pas de dosage chimique externe, capacité à manipuler des pH variables, et production de grands flocons robustes. Le champ électrique induit également l'électrophorèse, en tirant des microplastiques vers les électrodes où ils sont incorporés dans des flocs.

Les recherches récentes sur EC pour les microplastiques montrent que les taux d'élimination des particules de PE, PP et PS de la gamme 10-500 μm doivent être optimisés.Par exemple, à pH 6,5 et 5 mA/cm2 pendant 15 minutes, les électrodes en aluminium ont retiré 97 % des microplastiques en polyéthylène des eaux usées synthétiques. Les boues EC contiennent des hydroxydes métalliques et des microplastiques; bien que déshydratés, le volume peut être de 2 à 5 % de l'eau traitée, ce qui nécessite une manipulation appropriée.

Additifs bio-basés et flocons naturels

Les floculants dérivés des plantes et les polymères microbiens offrent une solution de rechange verte pour une meilleure sédimentation. Les tannins, extraits des écorces et des feuilles des arbres, sont anioniques ou cationiques selon la modification et peuvent se complexer avec des microplastiques. L'amidon cationique (quaternisé), la cellulose carboxyméthyle et la gomme xanthane ont également montré des promesses.Par exemple, une étude utilisant le chitosan et le polyacrylamide anionique pour les microfibres polyamides a permis d'éliminer 92 % des microplastiques en pH neutre.

Avantages des méthodes de sédimentation innovantes

Par rapport à la filtration membranaire (MF, UF) ou à l'oxydation avancée, les techniques de sédimentation innovantes offrent des avantages distincts, en particulier pour le traitement en grand volume où les coûts énergétiques et chimiques sont critiques.

  • Coût-efficacité:[ L'énergie des systèmes magnétiques ou des systèmes de ballastage est généralement inférieure aux processus de membrane à haute pression.Les doses chimiques pour la floculation sont modérées, et de nombreux coagulants sont bon marché ou proviennent de déchets (chitosan).
  • Efficacité énergétique:[ Les pompes à tête basse et les bobines magnétiques consomment moins d'énergie que les pompes à membrane ou les réacteurs UV. La consommation énergétique de la CE (=1 kWh/m3) est compétitive avec l'UF.
  • Impression chimique réduite:[ La sédimentation magnétique utilise principalement des particules magnétiques qui peuvent être réutilisées, réduisant ainsi les boues. L'électrocoagulation élimine le transport et le stockage de produits chimiques hors site.
  • Efficacité élevée d'élimination pour une large gamme de dimensions : Bien que les membranes puissent atteindre 99,9 %, elles sont sujettes à l'encrassement par des microplastiques.
  • Facile de modernisation: Des systèmes à ballast et magnétiques peuvent être installés dans des bassins existants sans travaux publics majeurs, réduisant ainsi les dépenses en capital.

Défis et limites

Aucune méthode n'est une balle d'argent universelle. Des obstacles importants restent avant l'adoption généralisée.

Scalabilité et débit

La séparation magnétique à l'aide de HGMS fonctionne bien pour les petits débits (échelle pilote jusqu'à 10 m3/h). Pour les stations de traitement municipales (p. ex. 100 000 m3/j), la taille de la matrice magnétique devient prohibitive et la nécessité d'un nettoyage fréquent réduit la disponibilité. La floculation balancé est plus évolutive, mais la boucle de recyclage de micros et de microsand ajoute de la complexité. EC a des limites d'échelle parce que la surface d'électrode et les besoins en énergie augmentent linéairement avec le débit; les conceptions de plaques et d'images peuvent traiter jusqu'à 1 000 m3/j, au-delà desquelles les coûts augmentent.

Gestion des boues

Dans les usines conventionnelles, les boues sont souvent digérées ou déshydratées et mises en décharge. Les microplastiques présents dans les boues peuvent persister et contaminer le sol; l'incinération est à forte intensité énergétique. Les boues magnétiques peuvent être traitées pour récupérer des particules magnétiques et concentrer des microplastiques pour élimination, mais cela ajoute des étapes.

Toxicité des nanoparticules et devenir environnemental

L'utilisation de nanoparticules artificielles (Fe3O4, nZVI) soulève des préoccupations au sujet du lessivage dans l'eau traitée. Bien que la plupart des études montrent une faible toxicité pour l'oxyde de fer, les effets chroniques d'exposition sont inconnus. Les particules magnétiques elles-mêmes peuvent devenir des polluants si elles ne sont pas complètement récupérées.

Interférences de la MNO et des co-contaminants

La matière organique naturelle peut rivaliser pour les sites de liaison des particules coagulantes ou magnétiques, réduisant ainsi l'efficacité de l'élimination. La pré-sédimentation ou la pré-ozonation pour oxyder partiellement les MNO peut aider mais ajoute des coûts.

Études de cas et applications du monde réel

Plusieurs projets pilotes et de démonstration illustrent la faisabilité d'une sédimentation novatrice.

Flocculation ballastifiée dans une plante suédoise

En 2022, une station municipale de traitement de l'eau à Malmö, en Suède, a testé un système Actiflo Carbo enrichi en charbon actif en poudre pour l'élimination des microplastiques. L'usine a traité 60 m3/h d'effluent secondaire. Avec le chlorure ferrique (20 mg/L) et le polymère anionique (1 mg/L) plus microsand, l'élimination des fibres de polyéthylène a dépassé 90 % et les microplastiques totaux (<1 mm) ont été réduits de 87 %. La boue a été déshydratée et le sable recyclé.

Pilote de sédimentation magnétique au Japon

Osaka Municipal Waterworks Bureau a collaboré avec une université pour tester la sédimentation magnétique sur l'eau brute de la rivière Yodo contenant des microplastiques provenant du ruissellement urbain. Des nanoparticules Fe3O4 (0,3 g/L) enduites d'acide oléique ont été injectées dans un débit de 10 m3/h. Un HGMS à pôles carrés avec de la laine d'acier captée 95–98 % de microplastiques >20 μm. La résistance au champ était de 0,6 T. La consommation d'énergie avoisinait 0,4 kWh/m3. Les particules magnétiques ont été récupérées avec un rendement de 98 % grâce à un lavage à l'eau et à l'éthanol, puis réutilisées quatre fois sans perte de performance.

Électrocoagulation dans les eaux usées textiles (Inde)

Une usine de textile de Tiruppur, en Inde, a installé une unité d'électrocoagulation de 200 m3/d pour éliminer les colorants et les microfibres des effluents. L'utilisation d'électrodes en aluminium à 15 A, 30 V, rétention de 5 minutes, l'élimination des fibres de polyester (10–100 μm) a atteint 91 %. Les boues contenant des hydroxydes et des fibres métalliques ont été envoyées dans un four à ciment pour co-traitement.

Orientations futures de la recherche

Pour combler le fossé entre les innovations en laboratoire et l'adoption à grande échelle, les efforts de recherche portent sur :

  • Systèmes hybrides:[ Combinant floculation avec des milieux magnétiques ou lestés pour obtenir une synergie. Par exemple, la floculation pour former de petits agrégats suivie d'une capture magnétique accélère le tassement.
  • Optimisation automatisée :[ Modèles d'apprentissage automatique qui ajustent la dose chimique, le mélange et la résistance au champ magnétique en temps réel en fonction de la concentration et de la composition de microplastiques influants.
  • Conception des nanoparticules:[ Création de particules magnétiques avec des revêtements sélectifs pour des polymères spécifiques (par exemple, hydrophobe pour PE, cationique pour PET) pour améliorer la récupération.
  • Évaluation du cycle de vie:[ Études approfondies comparant les empreintes énergétiques, chimiques et environnementales de chaque méthode sur l'ensemble du train de traitement, y compris l'élimination des boues.
  • Surveillance in situ:[ Développer des capteurs capables de mesurer en continu la concentration en microplastique et la distribution de taille pour valider les performances de retrait.

Conclusion

Bien qu'aucune approche de sédimentation ne résout tous les défis, la suite de la floculation améliorée, de la sédimentation magnétique, de la floculation lestée, de l'électrocoagulation et des biofloculants offre une trousse d'outils robustes. Chaque méthode exploite différents mécanismes physico-chimiques pour surmonter la faible vitesse de décantation des microplastiques. Le champ se déplace rapidement, passant de la démonstration de conception à l'échelle du laboratoire à des projets pilotes et de démonstration.

Pour plus de détails, consulter le Résumé de l'OMS sur les microplastiques dans l'eau potable[, la Commission européenne effectue des recherches sur l'atténuation des microplastiques et La recherche sur les microplastiques.Pour une plongée technique plus approfondie, la revue Water Research[ publie des revues régulières sur ce sujet.