Une petite partie des plastiques de consommation mélangés jetés ou placés dans les bacs de recyclage finit réellement par être recyclée. Près de 90 % sont enfouis dans des décharges ou incinérés dans des installations commerciales qui génèrent des gaz à effet de serre et des toxines en suspension dans l’air. Aucun des deux résultats n’est idéal pour l’environnement.
Pourquoi ne recycle-t-on pas davantage de plastiques mélangés ? Il est généralement plus facile et moins coûteux de fabriquer de nouveaux produits en plastique que de récupérer, trier et recycler des produits usagés. Le recyclage conventionnel des plastiques mélangés impliquait auparavant une séparation manuelle ou mécanique des plastiques en fonction de leurs polymères constitutifs.
Pour résoudre ce problème, les scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie ont utilisé une conception chimique soigneusement planifiée, la diffusion des neutrons et le calcul haute performance pour aider à développer un nouveau processus de recyclage catalytique. Le catalyseur déconstruit de manière sélective et séquentielle plusieurs polymères contenus dans des plastiques mélangés en monomères vierges, des molécules qui réagissent avec d’autres molécules monomères pour former un polymère. Le procédé offre une stratégie prometteuse pour lutter contre les déchets plastiques mondiaux, tels que les bouteilles, les emballages, les mousses et les tapis.
L’analyse des chercheurs, publiée dans Horizons Matériaux, a comparé l’utilisation du nouveau catalyseur polyvalent à l’utilisation de catalyseurs individuels pour chaque type de plastique. Le nouveau catalyseur générerait jusqu’à 95 % de gaz à effet de serre en moins, nécessiterait jusqu’à 94 % d’énergie en moins et entraînerait une réduction jusqu’à 96 % de la consommation de combustibles fossiles.
« Notre approche implique un organocatalyseur synthétique sur mesure, un composé composé de petites molécules organiques qui facilitent les transformations chimiques organiques. L’organocatalyseur peut convertir des lots de déchets plastiques mélangés en monomères précieux pour les réutiliser dans la production de plastiques de qualité commerciale et d’autres matériaux précieux », a déclaré Tomonori. Saito, chimiste des polymères synthétiques ORNL et auteur correspondant. « Ce processus chimique exceptionnellement efficace peut contribuer à boucler la boucle du recyclage des plastiques mélangés en remplaçant les monomères de première utilisation par des monomères recyclés.
« Aujourd’hui, presque tous les plastiques sont fabriqués à partir de combustibles fossiles en utilisant des monomères de première utilisation fabriqués par des processus à forte intensité énergétique. La mise en place de ce type de recyclage en boucle fermée, si elle est utilisée à l’échelle mondiale, pourrait réduire la consommation d’énergie annuelle d’environ 3,5 milliards de barils de pétrole », » ajouta Saito.
Crédit: Horizons Matériaux (2023). DOI : 10.1039/D3MH00801K
Une solution de recyclage pour plus de 30 % de tous les plastiques
Le nouvel organocatalyseur s’est avéré capable de déconstruire efficacement et rapidement plusieurs polymères, en deux heures environ. Ces polymères comprennent ceux utilisés dans des matériaux tels que les lunettes de sécurité (polycarbonates), les mousses (polyuréthanes), les bouteilles d’eau (polyéthylène téréphtalates) et les cordes ou filets de pêche (polyamides), qui représentent ensemble plus de 30 % de la production mondiale de plastique. Jusqu’à présent, aucun catalyseur ne s’est révélé efficace sur ces quatre polymères.
Le procédé offre de nombreux avantages environnementaux en remplaçant les produits chimiques agressifs pour déconstruire les polymères, tout en offrant une bonne sélectivité, une bonne stabilité thermique, une non-volatilité et une faible inflammabilité. Son efficacité contre plusieurs polymères le rend également utile pour déconstruire les quantités croissantes de plastiques multicomposants, tels que les composites et les emballages multicouches.
La diffusion de neutrons aux petits angles à la source de neutrons de spallation de l’ORNL a été utilisée pour confirmer la formation de monomères déconstruits à partir des déchets plastiques. La méthode diffuse les neutrons sous de petits angles pour caractériser la structure à différents niveaux de détail, du nanomètre aux fractions de micromètre.
Conversion de polymères plastiques mélangés en véritables plastiques recyclés
L’organocatalyseur déconstruit les plastiques à différentes températures, ce qui facilite la récupération séquentielle des monomères individuels séparément, sous une forme réutilisable. Les polycarbonates se déconstruisent à 266° F (130° C), les polyuréthanes à 320° F (160° C), les polyéthylènes téréphtalates à 356° F (180° C) et les polyamides à 410° F (210° C). Les autres plastiques, additifs et matériaux associés tels que le coton et les sacs en plastique restent intacts en raison des différences de réactivité et peuvent ensuite être valorisés.
« Les monomères déconstruits et l’organocatalyseur sont solubles dans l’eau, nous pouvons donc les transférer dans l’eau, où toutes les impuretés telles que les pigments peuvent être éliminées par filtration », a déclaré Md Arifuzzaman, auteur principal de l’étude et ancien chimiste organique synthétique postdoctoral à l’ORNL. Il est maintenant boursier de Carrefour de l’innovation et PDG et fondateur de la société Re-Du.
« Les monomères presque purs sont ensuite extraits, laissant le catalyseur, qui est presque entièrement récupéré par évaporation de l’eau et peut être directement réutilisé pour plusieurs cycles de déconstruction. »
Plus d’information:
Md Arifuzzaman et al, Déconstruction sélective de plastiques mixtes par un organocatalyseur sur mesure, Horizons Matériaux (2023). DOI : 10.1039/D3MH00801K