Comment des chercheurs berlinois utilisent les technologies numériques pour détecter et analyser les microplastiques dans l´eau

L’association Zuse représente les intérêts d’institutions de recherche indépendantes et privées ouvertes à la technologie et à l’industrie. Plus de 70 instituts dans toute l’Allemagne font partie de l’association.  Sa communication s´adresse avant tout aux PME allemandes, ses articles traduisent les résultats de la science en technologies appliquées et préparent ainsi le terrain pour les innovations qui font le succès des PME allemandes dans le monde entier.

Selon une estimation du Forum économique mondial (WEF), au moins huit millions de tonnes de déchets plastiques se retrouvent chaque année dans les océans du monde. Une fois sur place, en l’absence de contre-mesures, il se décompose progressivement en particules microplastiques dangereuses (PPM). Alors que cette pollution augmente rapidement, la détection des PPM est relativement longue. Les méthodes d’analyse courantes  actuelles, telles que les spectromètres infrarouges spéciaux, exigent que le microplastique soit isolé de l’échantillon en plusieurs étapes.

Tobias Gerhardt, chimiste à la Société berlinoise pour la promotion de la recherche scientifique et technique (GNF), se donne pour but de réduire de manière significative le temps d’analyse des microplastiques.

Dans le cadre d’un projet de collaborations financées par le ministère fédéral allemand de l’économie et de la technologie depuis le début de 2020 pour développer des microémulsions afin d’analyser  la nature  des MPP et des biofilms, son équipe travaille avec l’université de Bayreuth, la société mibic et d’autres partenaires pour améliorer et accélérer l’analyse des microplastiques grâce à l’utilisation ciblée de colorants. « En sélectionnant des colorants spéciaux, il est possible de distinguer certaines classes de plastiques, comme le nylon, le PET ou le polypropylène (PP), uniquement sur la base de la couleur fluorescente, ce qui nous permet de réduire massivement les temps d’analyse », explique T. Gerhardt. Les chercheurs espèrent réduire les temps d’analyse de plusieurs semaines à un ou quelques jours. Les particules microplastiques deviennent alors visibles à la lumière ultraviolette.

« Avec les microémulsions que nous avons développées, nous pouvons teindre les microplastiques avec une grande sélectivité », explique l’expert du GNF. Un problème commun à la teinture des microplastiques par d’autres méthodes est que les composants biologiques de l’échantillon, tels que le bois et d’autres débris végétaux, sont souvent également teints. « Comme  notre coloration du microplastique n´est pas superficielle, toute coloration interférente du matériau biologique peut être éliminée par lavage et seul le microplastique est fluorescent dans la lumière UV », a déclaré T. Gerhardt. De cette façon, l’équipe GNF peut déterminer, dans un court laps de temps, la charge de particules microplastiques dans un échantillon. Les résidus de plastique que les scientifiques du GNF sont capables de détecter, vont des particules de taille millimétrique au micromètre et  couvrent les plus petites particules de quelques millièmes de millimètre.

Le projet « Flocki » pour la gestion de l’eau

Afin de pouvoir filtrer les particules d´impureté de l’ordre du micromètre dans les stations d’épuration, l’industrie de l’eau utilise le processus de floculation  qui lient les particules de manière à ce qu’elles forment d’abord des microparticules puis des macroparticules. Il n’existe pas encore de méthode industrielle établie pour leur dosage. La Société pour la promotion de l’informatique appliquée (GFaI e.V.), et le GNF situé à Berlin-Adlershof, ont donc développé,  en collaboration avec un partenaire industriel dans le cadre du projet « Flocki » financé par le ministère fédéral de l’économie allemand, un système de mesure basé sur l’image, pour parvenir à un dosage optimal de la floculation.  Ce système peut également être utilisé pour les microplastiques. Un processus d’enregistrement a été développé, au cours  duquel l’eau polluée est interceptée, puis les images sont analysées et les particules mesurées. « A partir des images enregistrées  des particules et des flocs rendus visibles, nous pouvons tirer des conclusions sur le dosage nécessaire », explique l’expert du GFaI, Martin Pfaff. En plus du système d’enregistrement pour la capture de l’eau polluée, l’algorithme de seuil pour la détection des particules joue un rôle central dans l’évaluation.

Calculs séparés pour les petites zones d’image

Contrairement à la photographie numérique classique, l’algorithme du projet « Flocki » ne s’applique pas à l’image entière, mais se réfère à de nombreuses petites zones d’image, pour chacune desquelles des calculs séparés sont exécutés. « De cette manière, les agglomérats de l’ordre du micromètre peuvent être détectés de façon  fiable dans la station d’épuration, quel que soit le degré de contamination et de floculation, et en même temps le dosage des flocs peut être optimisé », explique M. Pfaff. Cependant, le pivot du système, en plus du système d’enregistrement, est l’utilisation de paramètres de mesure appropriés qui sont apparus comme significatifs dans le projet de recherche. Ils décrivent les changements de forme des particules sur l’ensemble de la mesure et permettent de tirer des conclusions sur le niveau de dosage. Ainsi, la quantité de flocs peut être automatisée.

Le GFaI est prêt à commercialiser cette technologie. « Compte tenu de la numérisation nécessaire et croissante dans la gestion de l’eau, nous attendons beaucoup de cette technologie. Elle peut contribuer à améliorer l’efficacité des matières premières et à assurer un niveau élevé de protection de l’environnement en évitant notamment en aval l’introduction de microplastiques dans les masses d’eau », explique Frank Püschel, chef de département du GFaI.

Source : Newsletter  de l´association ZUSE