Comprendre les microplastiques et leur impact sur l'environnement

Les microplastiques, définis comme des particules de moins de 5 mm, sont devenus l'un des contaminants les plus répandus dans les systèmes d'eau mondiaux. Ils proviennent de deux sources primaires : les microplastiques primaires, qui sont fabriqués à cette taille (p. ex., les microbilles dans les cosmétiques, les abrasifs industriels) et les microplastiques secondaires, qui résultent de la fragmentation des déchets plastiques plus importants par le rayonnement UV, l'abrasion mécanique et la dégradation biologique.

Les microplastiques sont ingérés par une large gamme d'organismes, du zooplancton aux poissons, aux oiseaux et aux mammifères marins. Ils peuvent bloquer les voies digestives, causer une fausse satisfaction et des additifs chimiques comme le bisphénol A (BPA) et les phtalates. De plus, les microplastiques agissent comme vecteurs pour les pathogènes et les polluants organiques persistants (POP), qui adsorbent leur surface et concentrent la chaîne alimentaire. L'exposition humaine se produit par les fruits de mer contaminés, l'eau potable, et même les poussières aéroportées.

En raison de leur petite taille, de leur faible densité et de leur inerte chimique, les microplastiques posent des défis uniques au traitement classique de l'eau. Les méthodes traditionnelles comme la sédimentation, la filtration du sable et la chloration sont souvent inefficaces pour capturer les particules de moins de 20 μm.

Techniques chimiques avancées pour l'enlèvement des microplastiques

La recherche contemporaine porte sur les processus chimiques qui exploitent la chimie de surface, la polarité et la réactivité des microplastiques. Les techniques les plus prometteuses se divisent en trois grandes catégories : la coagulation-floculation, les processus d'oxydation avancés (AOP) et les stratégies de modification de surface.

Coagulation et floculation avec des coagulants chimiques

La coagulation-floculation est un procédé bien établi de traitement de l'eau qui a été adapté pour l'élimination des microplastiques. Le principe consiste à déstabiliser la suspension colloïdale des microplastiques en ajoutant des coagulants chimiques, généralement des sels métalliques tels que le chlorure ferrique (FeCl3) ou le sulfate d'aluminium (Al2(SO4)3). Ces cations neutralisent la charge superficielle négative des particules plastiques, ce qui leur permet de s'agréger en flocs plus grands et plus stables.

Des études récentes ont optimisé la posologie, le pH et les conditions de mélange pour améliorer la floculation de différents types de polymères. Par exemple, le polyéthylène (PE) et le polypropylène (PP) sont effectivement éliminés à pH 6–8 avec 10–30 mg/L de chlorure ferrique. Les flocs qui en résultent peuvent ensuite être séparés par sédimentation, flottation d'air dissous ou filtration de sable.

La coagulation chimique présente un avantage, notamment en ce qui concerne sa compatibilité avec les infrastructures existantes.De nombreuses usines de traitement municipales peuvent mettre en œuvre une coagulation ciblée par microplastique avec des modifications mineures. Cependant, la technique produit des boues qui doivent être gérées et les ions métalliques résiduels peuvent affecter la qualité de l'eau.

Lien externe:[ Une étude sur la coagulation ferrique du chlorure pour l'élimination des microplastiques (Water Research, 2020)

Procédés d'oxydation avancés (PAO)

Les procédés d'oxydation avancés utilisent des espèces hautement réactives, en particulier des radicaux hydroxyles (•OH) pour décomposer les polluants organiques. Pour les microplastiques, les AOP peuvent fragmenter les chaînes de polymères, oxyder les groupes fonctionnels de surface et, en fin de compte, minéraliser le plastique en CO2 et en eau.

  • Ozone (O3) – traitement à base: L'ozone est un oxydant puissant qui attaque les doubles liaisons carbone-carbone et les cycles aromatiques présents dans les plastiques comme le polystyrène (PS) et le polyamide (PA). L'ozonation directe peut réduire la masse microplastique de 30 à 50% en 30 minutes sous un pH optimisé (>8).
  • La photolyse UV/H2O2 : La lumière ultraviolette (254 nm) dissocie le peroxyde d'hydrogène en deux radicaux hydroxyles. Cette méthode a montré que les microfibres de polyéthylène téréphtalate (PET) dégradaient de 90% après 60 minutes à des concentrations de H2O2 de 10 mM. La présence de matière organique naturelle peut ainsi récupérer des radicaux, de sorte qu'un prétraitement peut être nécessaire.
  • Réactions de fenton et photo-Fenton: La réaction Fenton classique (Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + •OH + OH-) est efficace au pH acide (2,8–4). Photo-Fenton (avec lumière UV/visible) régénère Fe2+, permettant une production de radical continu.
  • L'oxydation électrochimique:[L'utilisation d'anodes de diamant dopé au bore ou d'électrodes d'oxyde de métal mélangé (OMM) permet de générer des AOP électrochimiques directement à la surface de l'anode.Cette méthode évite le stockage et le transport chimiques, ce qui la rend adaptée au traitement décentralisé de l'eau.

Les AOP ont l'avantage d'être entièrement minéralisés, ne laissant aucun flux de déchets secondaires, sauf le CO2. Cependant, elles sont à forte intensité énergétique et peuvent former des sous-produits toxiques (p. ex. bromate provenant de l'ozonation de l'eau contenant du bromure).

Lien externe:[ Examen des PAO pour la dégradation des microplastiques (Sciences de l'environnement: Processus et impacts, 2019)[

Modification et fonctionnalité de la surface

Au lieu de détruire les microplastiques, les techniques de modification de surface modifient les propriétés chimiques des particules pour faciliter la séparation ou améliorer leur réactivité.

  • Enrobage hydrophilique : Les microplastiques sont naturellement hydrophobes, ce qui favorise leur agrégation avec d'autres polluants hydrophobes et les rend flottants. Le revêtement avec des surfactants (p. ex. dodécylsulfate de sodium) ou des polyélectrolytes (p. ex. polyéthylèneimine) augmente leur affinité en eau, ce qui les fait couler et être capturés pendant la sédimentation.
  • En adsorbant les nanoparticules d'oxyde de fer sur des surfaces microplastiques, les particules acquièrent une sensibilité magnétique. Un champ magnétique peut ensuite concentrer les nanoparticules chargées de plastique, permettant ainsi une élimination facile. Cette méthode a été démontrée pour le PE et le PET à l'échelle du laboratoire, permettant une récupération > 90 %. Le défi consiste à récupérer et réutiliser les particules magnétiques.
  • ]Les agents chimiques réactifs (par exemple, le glutaraldéhyde, le carbodiimide) peuvent relier des groupes amines ou carboxyls sur des plastiques fonctionnels, créant de plus grands réseaux qui filtrent.Cette technique est particulièrement prometteuse pour les plastiques biodégradables (PLA, PHA) qui ont des groupes finis réactifs.

La modification de surface est souvent une étape de prétraitement, elle permet de faciliter la séparation physique des microplastiques (filtration, flottation, séparation magnétique). Comme le plastique lui-même n'est pas détruit, les déchets concentrés qui en résultent nécessitent encore une élimination ou une régénération finale.

Technologies émergentes : nanomatériaux et catalyse

Les percées récentes dans la science des matériaux ont introduit des approches chimiques novatrices qui fonctionnent à l'échelle nanométrique, qui visent à combiner une surface élevée, une adsorption sélective et une activité catalytique.

Dégradation photocatalytique

Les photocatalyseurs semiconducteurs tels que le dioxyde de titane (TiO2), l'oxyde de zinc (ZnO) et le nitride de carbone graphitique (g-C3N4) génèrent des paires de trous d'électrons sous UV ou lumière visible. Ces porteurs de charge provoquent des réactions redox qui produisent des anions de l'OH et du superoxyde (O2•-), capables de dégrader les microplastiques. Par exemple, les nanoparticules de TiO2 immobilisées sur un substrat peuvent décomposer les microplastiques de polyéthylène dans les 24 heures sous la lumière simulée.

Un avantage important de la photocatalyse est qu'elle utilise le soleil comme source d'énergie, offrant une approche verte. Cependant, la faible densité de particules plastiques limite le contact entre les particules et le catalyse; les réacteurs à lit fluidisé ou les membranes photocatalysées peuvent surmonter cette situation.

Adsorption chimique sur les matériaux fonctionnels

L'adsorption est un processus physico-chimique où les microplastiques adhèrent à un sorbant solide par l'intermédiaire des forces de van der Waals, des interactions électrostatiques ou de la liaison hydrogène.

  • Cadres métalliques organiques (MOF):[ Ces matériaux poreux cristallins ont des surfaces ultraélevées (jusqu'à 7000 m2/g) et des pores thoneux. MIL-101(Cr) et UiO-66(Zr) ont montré une adsorption sélective des nanoplastiques polystyrènes de l'eau, atteignant des capacités supérieures à 500 mg/g. Le plastique peut ensuite être désordonné par lavage avec de l'éthanol, ce qui permet de réutiliser le MOF.
  • Oxyde de gramène (GO) et GO réduit: Les groupes fonctionnels d'oxygène sur les feuilles GO interagissent fortement avec des particules de plastique polaire comme le nylon et le PET. Les membranes GO peuvent filtrer >99% des microplastiques au-dessus de 1 μm tout en maintenant un flux d'eau élevé.
  • Nanocristaux de cellulose (CNC):[ Dérivés de la biomasse, les CNC peuvent être modifiés chimiquement avec des groupes cationiques pour lier électrostatiquement les microplastiques anioniques. Ils sont biodégradables et non toxiques, ce qui les rend aptes au traitement de l'eau potable.

Les méthodes d'adsorption sont rapides et ne génèrent pas de sous-produits nocifs, mais elles nécessitent une régénération périodique ou l'élimination des sorbants usés. La combinaison de l'adsorption et de la dégradation catalytique – par exemple, le revêtement d'un MOF avec un photocatalyseur – pourrait intégrer la capture et la destruction en une seule étape.

Filtration de membrane améliorée par des produits chimiques

Les procédés de membrane comme l'ultrafiltration (UF) et la nanofiltration (NF) rejettent physiquement les particules, mais l'encrassement par des microplastiques réduit l'efficacité. L'amélioration chimique modifie la surface membranaire ou la chimie de l'eau d'alimentation pour atténuer l'encrassement et améliorer le rejet.

  • La greffe de polymères hydrophiles: La revêtement de membranes de fluorure de polyvinylidène (PVDF) avec de l'alcool polyvinylique (PVA) ou des polymères zwitterioniques réduit les interactions hydrophobes avec les plastiques, en maintenant le flux.
  • Coagulation en ligne:[ La préparation de coagulants en amont de la membrane provoque la formation de microplastiques qui forment des flocs plus grands et qui sont facilement rejetés et forment une couche de gâteau poreuse plutôt qu'une couche de salissure dense.
  • Le lavage de dos oxydatif:[ Appliquer périodiquement de l'ozone ou du peroxyde d'hydrogène à la surface de la membrane dégrade les microplastiques adsorbés, rétablissant la perméabilité.

La filtration par membrane améliorée chimiquement est déjà en cours de mise à l'essai dans les usines de réutilisation de l'eau. La combinaison de barrières chimiques et physiques assure une efficacité d'élimination élevée (>99 %) pour les particules jusqu'à 100 nm.

Défis et considérations

Malgré la promesse de ces techniques, plusieurs obstacles doivent être surmontés avant d'être largement adoptés:

  • Complexité de la matrice:[ La matière organique naturelle (NOM), les sels et autres solides en suspension peuvent interférer avec les réactions chimiques, consommer des oxydants ou concurrencer les sites d'adsorption.
  • Énergie et coûts:[ Les AOP et les systèmes photocatalytiques exigent une entrée d'énergie (lampes UV, électricité).L'échelle pour les volumes importants reste coûteuse par rapport au traitement conventionnel.
  • Formation de sous-produits:[ Une oxydation incomplète peut créer de plus petits fragments de plastique (nanoplastiques) ou des intermédiaires toxiques tels que les aldéhydes et les acides carboxyliques.
  • Lacunes réglementaires et de normalisation :[ Il n'existe pas de protocole universel pour mesurer l'efficacité de l'élimination des microplastiques. Différentes études utilisent différentes tailles de particules, types de polymères et unités (masse par rapport au nombre).

Orientations futures et approches intégrées

La stratégie la plus efficace pour l'élimination des microplastiques comprendra probablement une approche à barrières multiples qui combine des méthodes chimiques, physiques et biologiques.

  1. Criblage primaire et enlèvement de grains (physique)
  2. Coagulation chimique + sédimentation (agrégation)
  3. oxydation avancée (dégradation partielle)
  4. Bioréacteur de la membrane (biologique + physique)
  5. Polissage avec adsorption au charbon actif ou au MOF

Ces systèmes hybrides peuvent exploiter les forces de chaque technique tout en compensant les faiblesses. L'intelligence artificielle et l'apprentissage machine sont appliqués pour optimiser le dosage chimique et le contrôle des processus en temps réel, réduisant la consommation chimique et l'utilisation d'énergie.

Une autre frontière est le développement de plastiques biodégradables qui sont intrinsèquement moins persistants. Bien qu'une technique d'élimination, interdire ou éliminer progressivement les polymères problématiques (p. ex., mousse de polystyrène, microbilles) réduit la charge de la source. Le traitement chimique peut ensuite se concentrer sur la pollution du passé et les fragments inévitables.

Lien externe:[ Train de traitement intégré pour l'élimination des microplastiques: examen et perspectives (Science de l'environnement total, 2022)

Conclusion

L'élimination des microplastiques des sources d'eau exige des stratégies chimiques novatrices qui vont au-delà de la filtration et de la sédimentation classiques. La coagulation-floculation, les processus d'oxydation avancés et la modification de surface ont démontré une efficacité significative aux échelles des laboratoires et des pilotes.

Pour faire face à la crise des microplastiques, il faudra combiner la réduction des sources, l'amélioration du traitement des eaux usées et des cadres stratégiques qui encouragent l'innovation.