Un nouveau procédé pourrait permettre un recyclage plus efficace des plastiques

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L'accumulation de déchets plastiques dans les océans, les sols et même dans notre corps est l'un des problèmes majeurs de pollution des temps modernes, avec plus de 5 milliards de tonnes éliminées à ce jour. Malgré des efforts considérables pour recycler les produits en plastique, l'utilisation de ce mélange hétéroclite de matériaux est restée un défi.

Un problème clé est que les plastiques se déclinent en tant de variétés différentes, et les processus chimiques pour les décomposer en une forme qui peut être réutilisée d'une manière ou d'une autre ont tendance à être très spécifiques à chaque type de plastique. Trier le méli-mélo de déchets, des bouteilles de soda aux cruches de détergent en passant par les jouets en plastique, n'est pas pratique à grande échelle. Aujourd'hui, une grande partie de la matière plastique recueillie grâce aux programmes de recyclage finit de toute façon dans les décharges. Il y a sûrement un meilleur moyen.

Selon de nouvelles recherches du MIT et d'ailleurs, il semble qu'il existe peut-être une bien meilleure solution. Un procédé chimique utilisant un catalyseur à base de cobalt s'est avéré très efficace pour décomposer une variété de plastiques, tels que le polyéthylène (PET) et le polypropylène (PP), les deux formes de plastique les plus produites, en un seul produit, propane. Le propane peut ensuite être utilisé comme combustible pour les poêles, les appareils de chauffage et les véhicules, ou comme matière première pour la production d'une grande variété de produits, y compris de nouveaux plastiques, fournissant ainsi potentiellement au moins un système de recyclage partiel en boucle fermée.

La découverte est décrite aujourd'hui dans la revue en libre accès JACS Au, dans un article du professeur de génie chimique du MIT Yuriy Román-Leshkov, du postdoc Guido Zichitella et de sept autres au MIT, au SLAC National Accelerator Laboratory et au National Renewable Energy Laboratory.

Le recyclage des plastiques a été un problème épineux, explique Román-Leshkov, car les molécules à longue chaîne des plastiques sont maintenues ensemble par des liaisons carbone, qui sont "très stables et difficiles à briser". Les techniques existantes pour rompre ces liaisons ont tendance à produire un mélange aléatoire de différentes molécules, ce qui nécessiterait alors des méthodes de raffinage complexes pour se séparer en composés spécifiques utilisables. "Le problème, dit-il, c'est qu'il n'y a aucun moyen de contrôler où dans la chaîne carbonée vous cassez la molécule."

Mais à la surprise des chercheurs, un catalyseur composé d'un matériau microporeux appelé zéolite contenant des nanoparticules de cobalt peut décomposer sélectivement diverses molécules de polymère plastique et en transformer plus de 80% en propane.

Bien que les zéolites soient criblées de minuscules pores de moins d'un nanomètre de large (correspondant à la largeur des chaînes polymères), une hypothèse logique était qu'il y aurait peu d'interaction entre la zéolite et les polymères. Étonnamment, cependant, c'est le contraire qui s'est avéré être le cas : non seulement les chaînes polymères pénètrent dans les pores, mais le travail synergique entre le cobalt et les sites acides de la zéolite peut casser la chaîne au même point. Ce site de clivage s'est avéré correspondre à couper exactement une molécule de propane sans générer de méthane indésirable, laissant le reste des hydrocarbures plus longs prêts à subir le processus, encore et encore.

"Une fois que vous avez ce seul composé, le propane, vous réduisez le fardeau des séparations en aval", déclare Román-Leshkov. "C'est l'essence même de la raison pour laquelle nous pensons que c'est assez important. Non seulement nous brisons les liens, mais nous générons principalement un seul produit" qui peut être utilisé pour de nombreux produits et processus différents.

Les matériaux nécessaires au processus, les zéolithes et le cobalt, "sont à la fois assez bon marché" et largement disponibles, dit-il, bien qu'aujourd'hui la plupart du cobalt provienne de zones troublées de la République démocratique du Congo. De nouvelles productions sont en cours de développement au Canada, à Cuba et ailleurs. L'autre matériau nécessaire au processus est l'hydrogène, qui est aujourd'hui principalement produit à partir de combustibles fossiles, mais qui peut facilement être fabriqué par d'autres moyens, notamment l'électrolyse de l'eau à l'aide d'électricité sans carbone, comme l'énergie solaire ou éolienne.

Les chercheurs ont testé leur système sur un exemple réel de plastique recyclé mélangé, produisant des résultats prometteurs. Mais d'autres tests seront nécessaires sur une plus grande variété de flux de déchets mixtes pour déterminer la quantité d'encrassement due à divers contaminants dans le matériau - tels que les encres, les colles et les étiquettes attachées aux conteneurs en plastique, ou d'autres matériaux non plastiques qui se mélangent. avec les déchets - et comment cela affecte la stabilité à long terme du processus.

En collaboration avec des collaborateurs de NREL, l'équipe du MIT continue également d'étudier l'économie du système et d'analyser comment il peut s'intégrer dans les systèmes actuels de traitement des flux de déchets plastiques et mixtes. "Nous n'avons pas encore toutes les réponses", déclare Román-Leshkov, mais l'analyse préliminaire semble prometteuse.

L'équipe de recherche comprenait Amani Ebrahim et Simone Bare du SLAC National Accelerator Laboratory; Jie Zhu, Anna Brenner, Griffin Drake et Julie Rorrer au MIT ; et Greg Beckham au Laboratoire national des énergies renouvelables. Les travaux ont été soutenus par le Département américain de l'énergie (DoE), le Fonds national suisse de la recherche scientifique et l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DoE, l'Office de fabrication avancée (AMO) et l'Office des technologies bioénergétiques (BETO), dans le cadre du le consortium Bio-Optimized Technologies to keep Thermoplastics out Landfills and the Environment (BOTTLE).

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