Les Polymères, un remède pour la sauvegarde de notre planète
La pollution des sols, de l’eau et de l’air est devenue un problème environnemental majeur dans le monde entier.
En 2021, les organismes scientifiques et environnementaux (OMS, FAO, EPA) s’accordent à dire qu’environ 33 % des terres agricoles du monde sont touchées par une certaine forme de dégradation des sols, principalement en raison de la pollution et de la dégradation causées par les activités humaines.
Dans les régions où l’activité agricole est la plus importante, 92% des points de mesure dans les cours d’eau et 70% des points de mesure dans les eaux souterraines sont touchés par les pesticides (MEDDE, CGDD 2009).
Malgré une tendance à l’amélioration de la qualité de l’air au cours des 20 dernières années, l’émission de polluants atmosphériques dépassent encore en France les seuils réglementaires fixés pour la protection de la santé humaine, en particulier pour l’ozone, le dioxyde d’azote et les microparticules.
Le constat est mondial : les activités humaines, industrielles, agricoles et domestiques ont entraîné une accumulation de contaminants toxiques dans notre environnement. Les principales sources de pollution sont liées à l’utilisation de pesticides et de fertilisants agricoles, aux déchets industriels et miniers, aux déversements de pétrole et d’autres hydrocarbures, aux métaux lourds, aux produits chimiques toxiques et déchets plastiques.
Ces polluants entraînent des conséquences néfastes sur la santé humaine, la biodiversité et les écosystèmes. C’est la raison pour laquelle, depuis de nombreuses années, des restrictions gouvernementales sont appliquées pour réduire l’utilisation de contaminants à l’échelle industrielle (gaz nocifs, nitrates, phosphates,…) ou encore supprimer l’emploi de pesticides. Beaucoup d’efforts sont produits pour prévenir les contaminations, mais également pour « guérir » notre environnement, notamment avec la recherche active de matériaux pour la dépollution des eaux usées. [1,2]
Les polymères, acteurs de la dépollution
Beaucoup ciblés comme responsable de la pollution, les matériaux polymères, les plastiques, sont pourtant une solution majeure pour développer des méthodes de dépollution encore efficaces et sécurisée.
Les matériaux polymères peuvent être de simples barrières physiques à la pollution (membrane, filtres particulaires) mais aussi des matières actives pour la décontamination. Les polymères fonctionnels sont des matériaux synthétiques ou naturels qui contiennent des fonctions spécifiques, tels que des groupes chimiques réactifs ou des sites de liaisons spécifiques. Ces groupes fonctionnels permettent aux polymères de se lier et d’interagir avec différents polluants présents dans les sols, l’air ou les eaux.
Ils présentent des groupements chimiques spécifiques, dans leur chaîne ou en greffons latéraux :
Elaborés à partir de monomères sélectionnés pour leur activité potentielle ou obtenus par fonctionnalisation de macromolécules, ces polymères fonctionnels peuvent être développés dans les laboratoires R&D de PolymerExpert. De nombreux polymères sont ainsi développés spécifiquement en fonction des performances recherchées par différentes techniques de polymérisation : polymérisation radicalaire, par polyaddition ou polycondensation ou encore par modification chimique de polysaccharides, de polyamines, de polyols ou de polyacrylates.
La conception du polymère et son mode d’emploi sont alors adaptés aux objectifs.
Dans le cas de la dépollution des sols, les polymères fonctionnels peuvent être utilisés pour remédier à la présence de contaminants tels que les hydrocarbures, les métaux lourds ou les produits chimiques toxiques. Les polymères peuvent être appliqués sur les sols contaminés sous forme de gels, de films minces ou de particules, formant ainsi une barrière physique ou chimique qui empêche la migration des polluants ou favorise leur extraction du sol. Certains polymères fonctionnels ont également la capacité d’adsorber ou de séquestrer les polluants, les rendant ainsi moins disponibles et toxiques pour l’environnement.
Dans le cas de la dépollution de l’air, les polymères fonctionnels peuvent être utilisés pour capturer les polluants atmosphériques tels que les particules fines, les composés organiques volatils (COV) ou les gaz toxiques. Ils peuvent également catalyser des réactions chimiques spécifiques pour décomposer les polluants atmosphériques en produits moins nocifs. Les filtres à air contenant des polymères fonctionnels piègent efficacement ces polluants lorsqu’ils passent au travers du matériau poreux.
En ce qui concerne la dépollution des eaux, les polymères fonctionnels peuvent être utilisés dans des processus de traitement des eaux usées pour éliminer les polluants tels que les métaux lourds, les colorants, les produits pharmaceutiques ou les substances organiques. Ils peuvent agir comme des agents de coagulation ou de floculation, aidant à regrouper les polluants en particules plus grosses qui peuvent être facilement éliminées par filtration ou décantation. Ils peuvent également être utilisés comme adsorbants pour extraire les polluants des eaux contaminées.
Actuellement, les équipes de PolymerExpert travaillent à l’élaboration de matériaux qui pourraient permettre de décontaminer les eaux de la Martinique et de la Guadeloupe, fortement polluées par le chlordécone (perturbateur endocrinien), pesticide largement employé entre 1973 et 1993 pour protéger les cultures bananières. Le processus de développement de ces matériaux s’accompagne d’une évaluation minutieuse de leur efficacité et de leur impact sur l’environnement.
Les matériaux polymères : des outils prometteurs pour la dépollution des eaux
Depuis longtemps, le charbon actif est utilisé pour la purification des eaux. Il peut être utilisé pour nettoyer des sites hautement contaminés en nitrates et en phosphates, mais aussi pour capturer les dérivés chlorés de l’eau du robinet. Il présente cependant une sélectivité limitée en ce qui concerne les métaux lourds et les ions qui sont difficilement captés. Il peut également engendrer un relargage de particules fines et de composés organiques dans les eaux traitées, ce qui peut in fine affecter la qualité de l’eau. [3,4]
Les capacités d’absorption du charbon actif restent cependant limitées notamment pour faire face au traitement des eaux polluées par les pesticides et la recherche de matières plus performantes s’impose.
Les polymères, fonctionnels ou non, apportent des solutions dans les différents stades du traitement des eaux.
La filtration : un processus fiable pour la dépollution des eaux usées
La filtration est un procédé qui vise à retirer les impuretés solides présentes dans un fluide. Cette élimination de contaminants est permise par l’utilisation de matériaux polymères capables de capter des espèces de différentes natures. Plusieurs types de filtrations existent :
• Filtration mécanique : les membranes possèdent généralement une taille de pores contrôlée, ce qui leur permet de retenir les particules de taille supérieure.
• Filtration par absorption : les membranes présentent une fonctionnalité qui leur permet de capter les contaminants dans l’eau. Des interactions faibles se forment entre les contaminants et la matrice polymère, ce qui permet leur rétention. Cette technique permet de retirer sélectivement des substances organiques dissoutes dans l’eau comme les pesticides et les composés chimiques toxiques.
• Electrofiltration : des membranes chargées peuvent également être utilisées, attirant et captant ainsi les particules de charge opposée.
Plusieurs classes de filtration existent et sont répertoriées selon la taille des pores de la membrane utilisés et donc de la sélectivité des espèces captées (Figure 1). [5]
Filtration membranaire à base d’une grande diversité de polymères
Depuis le XXème siècle, une grande diversité de polymères a été exploitée pour la filtration des eaux, parmi eux :
• L’acétate de cellulose qui est un matériaux polymère biosourcé largement utilisé pour la filtration des eaux. Grâce à sa porosité, il est capable de retenir les agents contaminants de grandes tailles. En plus de cette taille d’exclusion, l’acétate de cellulose possède une certaine affinité avec des composés solubles dans l’eau : ce qui lui permet de piéger les contaminants.
L’inconvénient majeur est sa faible résistance chimique qui cause une dégradation rapide de la membrane.
• Le polysulfone qui est un thermoplastique de référence. Sous forme de fibres creuses, il permet de filtrer les eaux par tamisage.
• Les poly(amides) (PA) et poly(imides) qui sont majoritairement utilisés pour la désalinisation de l’eau de mer.
• Le poly(propylène) (PP) qui est utilisé pour de la microfiltration grâce à la grande porosité qui peut être obtenue sur ce type de matériau. Il s’agit la de la solution la moins coûteuse pour retirer des particules de grande taille.
• Le poly (fluorure de vinylidène) (PVDF) est un polymère qui constitue de nombreuses membranes. Associé à des copolymères qui augmentent son hydrophobicité, un large domaine d’utilisation peut être obtenu en filtration.
Finalement, ce sont près de vingt polymères différents qui sont autorisés par la Food and Drug Administration (FDA) pour produire de l’eau potable. [5]
Bien que l’ensemble de ces polymères réponde à une problématique environnementale majeure, certains d’entre-deux possèdent un impact néfaste pour la nature. Issus de ressources fossiles pour la plupart, leur production demande, en plus, une grosse quantité de solvants. Ils participent donc à la pollution des eaux et des sols. [5]
Très récemment, l’ECHA, European Chemical Agency, a proposé la restriction de l’utilisation de plusieurs dérives fluorés (PFAs) dont les polymères fluorés.
Polymère biosourcé : un support primordial pour une filtration durable de l’eau.
Dans un contexte de développement durable, il est aujourd’hui essentiel de définir les nouvelles stratégies en respectant les principes de la chimie verte. Il s’agit de concevoir des matériaux en réduisant les coûts énergétiques, en limitant l’utilisation de solvants et surtout en ne travaillant qu’avec des molécules issues de ressources naturelles.
Plusieurs travaux sont menés pour remplacer les PVDF, PP et PA par des structures issues de ressources renouvelables. Les polymères à base de cellulose ou les polyesters pourraient être la solution et servir de squelette à la membrane. [6,7]
Pour maximiser l’efficacité de cette membrane, des fonctionnalités peuvent être rajoutées à la structure. Il est par exemple possible de greffer des synthons hydrophiles (POE) pour augmenter l’hydrophilicité du polymère et donc son affinité avec des composés solubles dans l’eau. Des groupements chargés peuvent aussi être utilisés : le polyethylène amine (chargé positivement) ou les polyacide acrylique (chargé négativement) pour capter les contaminants de charges opposées.
Plus largement, il existe une multitude de groupements fonctionnels capables de complexer et donc de retirer une substance de l’eau. Ils possèdent pour la plupart des hétéroatomes qui interagissent par des liaisons faibles avec les composés à capturer.
C’est ce phénomène de complexation qui permet la captation d’agents contaminants dans les eaux usées. Il est réversible et dépendra de plusieurs facteurs et notamment de la concentration des contaminants dans l’eau.
Le phénomène de complexation est réversible et l’équilibre entre la forme libre et complexée peut s’exprimer par une constante Kf. [8]
Kf= ([Complexe M∙A])/(〖[M]〗^a×〖[A]〗^b )
Avec [Complexe M∙A] la concentration du complexe ;
[M] et [A] les concentrations de la molécule fonctionnelle et de l’agent contaminant
a et b les coefficients stoechiométriques
Idéalement, des synthons fonctionnels naturels sont recherchés. La famille des catéchols est connue pour sa capacité à former des complexes avec certains constituants (principalement les métaux). Cette complexation est due à la présence de groupement hydroxyles en position ortho sur les cycles benzénique qui créent des interactions avec l’agent contaminant. [9] Une autre molécule très connue capable de capter des molécules contaminantes est la cyclodextrine qui est un oligosaccharide cyclique obtenu par dégradation enzymatique de l’amidon. Ce synthon naturel est aujourd’hui utilisé pour des applications dans différents domaines tels que la cosmétique (protection des composés actifs), le secteur pharmaceutique (encapsulation de molécule thérapeutique), l’agroalimentaire, la dépollution de l’air et de l’eau. Cette molécule de cyclodextrine possède un caractère amphiphile : alors que l’extérieur de la molécule est plutôt hydrophile et donne la solubilité dans l’eau, le caractère apolaire de la cavité permet l’inclusion de molécule et la formation d’un complexe. [8,10]
La cyclodextrine étant soluble dans l’eau, elle ne peut pas être utilisée seule pour dépolluer les eaux usées. Elle nécessite d’être greffée sur une matrice polymère insoluble (Fig.10). Idéalement cette dernière sera naturelle et pourra se dégrader afin de s’inscrire complètement dans le concept de développement durable.
Les matières polymères constituent donc une matrice de choix pour les systèmes de filtration membranaire ou filtres cartouches car elles parviennent à capter les agents contaminant dans l’eau grâce à leur porosité et à leur fonctionnalité. Outre leurs propriétés, elles sont facilement disponibles et économiquement viables, ce qui en fait des matériaux de choix pour la filtration. Toutefois, il est important de noter que la plupart sont toujours issues de ressources fossiles et participent donc à la pollution.
Une constante recherche s’établit donc pour produire des matériaux polymères biosourcés et biodégradables pour supprimer l’impact néfaste sur l’environnement. Les polysaccharides et les polyesters sont aujourd’hui étudiés de part leur naturalité et leur biodégradabilité. Si leur efficacité parvient à être augmentée par l’utilisation notamment de la beta-cylcodextrine ou les cathécols, ces matériaux pourraient substituer les solutions actuelles : le charbon actif et les polymères pétrochimiques.
