Malgré les efforts déployés à travers le monde pour évoluer vers une économie circulaire du plastique, plus des trois quarts des 400 tonnes métriques de plastique produites chaque année dans le monde finissent toujours comme des déchets.
Un groupe de chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign a démontré un moyen d’utiliser la source d’énergie renouvelable de l’électricité pour recycler une forme de plastique de plus en plus utilisée mais plus difficile à recycler que d’autres formes populaires de plastique.
Dans leur étude récemment publiée dans Communication Natureils partagent leur processus innovant qui montre le potentiel d’exploitation des sources d’énergie renouvelables dans la transition vers une économie circulaire des plastiques.
« Nous voulions démontrer ce concept de rapprochement des énergies renouvelables et d’une économie circulaire du plastique », a déclaré Yuting Zhou, associé postdoctoral et co-auteur, qui a travaillé sur cette recherche révolutionnaire avec deux professeurs de chimie à l’Illinois, l’expert en polymères Jeffrey Moore et expert en électrochimie Joaquín Rodríguez-López.
Le projet a été conçu par Moore qui avait de l’expérience avec le poly(phtalaldéhyde), une forme de polyacétal. Polyoxyméthylène (POM), une résine acétal haute performance utilisée dans une variété d’industries, y compris l’automobile et l’électronique. Un thermoplastique, il peut être façonné et moulé lorsqu’il est chauffé et durcit lors du refroidissement avec un degré élevé de résistance et de rigidité, ce qui en fait une alternative plus légère et attrayante au métal dans certaines applications, comme les engrenages mécaniques dans les automobiles. Il est produit par diverses entreprises chimiques avec des formules et des noms légèrement différents, dont Delrin de DuPont.
Lors du recyclage, ces propriétés hautement cristallines du POM le rendent difficile à décomposer. Il peut être fondu et moulé à nouveau, mais les propriétés matérielles d’origine du POM sont perdues, ce qui limite l’utilité du matériau recyclé.
« Lorsque le polymère était utilisé en tant que produit, ce n’est pas un polymère pur. Il contiendra également d’autres produits chimiques comme des additifs colorants et des antioxydants. Ainsi, si vous le faites simplement fondre et le remodelez, les propriétés du matériau sont toujours perdues », a expliqué Zhou. .
La méthode de l’équipe de recherche de l’Illinois utilise de l’électricité, qui peut être tirée de sources renouvelables, et se déroule à température ambiante.
Ce processus électromédié déconstruit le polymère, le décomposant en monomères, les molécules qui sont liées à d’autres molécules identiques pour former des polymères.
Des percées importantes en matière de réutilisation chimique ont été réalisées au cours des cinq dernières années sur les plastiques synthétiques communément connus, comme le PE, le PET et le PS.
Cependant, il y a eu peu d’expérimentation avec le POM plus difficile, en particulier avec l’électricité comme moteur du processus.
Dans l’étude, les chercheurs démontrent leurs méthodes en utilisant Delrin. Ils commencent par dissoudre de petites perles de polymère dans un liquide pour desserrer les liaisons de la chaîne polymère. Dans la phase suivante de l’électrocatalyse, les chaînes polymères Delrin sont décomposées en forme de monomère.
La clé, a déclaré Zhou, est le solvant organique qui dissout le plastique. Elle a testé de nombreux solvants organiques, à commencer par l’alcool à friction, mais n’a découvert qu’un seul organique qui fonctionnait, l’hexafluoroisopropanol, communément abrégé HFIP.
« Ce n’est pas comme immédiatement. Il a dû rester assis pendant plusieurs heures », a déclaré Zhou, qui a expliqué avoir découvert que non seulement le HFIP dissout le polymère, mais qu’il joue probablement un rôle clé dans la dépolymérisation dans la phase d’électrocatalyse. « Il fonctionne également comme un donneur de protons (catalyseur) avec un potentiel appliqué. »
Fondamentalement, le HFIP génère de l’acide pendant l’électrolyse, et l’acide, selon les chercheurs, est ce qui décompose le polymère en monomères.
« C’est ce que nous supposons qu’il se passe », a-t-elle déclaré. « Il peut y avoir d’autres mécanismes de dépolymérisation potentiels. Mais avec toutes les preuves expérimentales que nous avons recueillies, cela penche davantage vers un processus de dépolymérisation acide électro-médié. »
Après avoir démontré avec succès leur processus sur de petites perles de POM pur, ils ont voulu essayer un produit commercial en Delrin pour tester davantage leur méthode, ils ont donc utilisé des hangars à clips keck, qui sont couramment utilisés dans les laboratoires de chimie et en Delrin. Et encore une fois, le processus a fonctionné.
« Au moins personnellement pour moi, ce travail ressemble plus à un encouragement pour moi que vous ne pensez pas fou d’utiliser l’électricité pour décomposer le plastique. C’est possible. C’est très difficile. Il y a des limites. Il y a beaucoup de murs que nous va frapper. Mais c’est possible », a déclaré Zhou. « Nous pouvons utiliser l’électricité pour décomposer un vrai produit manufacturé. »
Zhou a déclaré vouloir explorer davantage le pouvoir de l’électrocatalyse dans la déconstruction du plastique en expérimentant des types de plastique plus difficiles, en ciblant le recyclage sélectif du POM en acide formique et en adoptant cette méthode dans un système de flux.
« Nous espérons également que ce travail pourra inspirer d’autres ingénieurs et chimistes synthétiques, et le domaine à sonder et à réfléchir à l’utilisation de l’électricité pour déconstruire le plastique synthétique », a déclaré Zhou.
L’article, « Heterogenous Electromediated Depolymerization of Highly Crystalline Polyoxymethylene, » est publié dans Communication Nature.
Plus d’information:
Yuting Zhou et al, Dépolymérisation électromédiée hétérogène de polyoxyméthylène hautement cristallin, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-023-39362-z