Des scientifiques améliorent la recyclabilité des déchets plastiques

14 mars 2023

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par Savannah Mitchem, Laboratoire national d'Argonne

Les plastiques sont des matériaux incroyables aux propriétés inestimables pour le fonctionnement de notre monde moderne. Ils sont solides, flexibles, polyvalents, durables et peu coûteux. En particulier, le polyéthylène haute densité (PEHD) est omniprésent dans les applications à usage unique telles que les emballages et les conteneurs. Vous l'avez peut-être vu étiqueté avec le numéro deux à l'intérieur du symbole de recyclage triangulaire.

Mais les façons dont nous produisons le PEHD et nos méthodes actuelles de recyclage constituent des menaces pour notre propre santé et celle de notre planète. De nombreux produits en PEHD sont fabriqués à partir de combustibles fossiles (pétrole brut, gaz naturel ou charbon) et ont une empreinte carbone massive. Et plutôt que d'être réutilisés ou recyclés, la plupart des déchets de PEHD sont incinérés, jetés dans des décharges ou laissés dans l'environnement. Lorsqu'il est recyclé, la qualité du matériau se dégrade.

Des scientifiques de l'Institut pour le recyclage coopératif des plastiques (iCOUP) du Département américain de l'énergie (DOE) ont mis au point une nouvelle méthode de recyclage du PEHD. En utilisant une nouvelle approche catalytique, les scientifiques iCOUP du Laboratoire national d'Argonne du DOE et de l'Université Cornell ont transformé les déchets de plastique HDPE en un nouveau matériau qui peut être recyclé à plusieurs reprises sans perte de qualité.

Un article décrivant leurs travaux a été publié dans le Journal of the American Chemical Society.

"Les plastiques vont être avec nous pour toujours. Ils offrent une fonctionnalité qu'aucun autre matériau ne peut fournir. Nous devons trouver des moyens de réduire les effets nocifs de l'utilisation du plastique en améliorant la recyclabilité", a déclaré Massimiliano Delferro d'Argonne, un scientifique de l'étude.

La nouvelle approche de l'équipe convertit le PEHD usagé en un matériau entièrement recyclable et potentiellement biodégradable avec les mêmes propriétés mécaniques et thermiques que le plastique à usage unique de départ. Si elles sont largement adoptées, des approches comme celle-ci pourraient éventuellement contribuer à réduire les émissions de carbone et la pollution associées au PEHD.

"Nous utilisons des déchets plastiques comme source au lieu de combustibles fossiles", a déclaré Geoffrey Coates de l'Université Cornell, un autre scientifique de l'étude. "Au lieu de forer du pétrole et de polluer l'environnement, nous utilisons des choses qui seraient autrement incinérées ou laissées dans une décharge."

Comme les autres plastiques, le HDPE est composé de longues chaînes d'atomes appelées chaînes polymères. La nouvelle approche de l'équipe utilise une série de catalyseurs - ou de produits chimiques qui accélèrent les réactions chimiques - pour briser les chaînes polymères HDPE en morceaux plus courts contenant des groupes réactifs d'atomes aux extrémités. Ces pièces peuvent ensuite être réassemblées ou repolymérisées pour former de nouveaux produits en plastique. Les groupes terminaux réactifs ont l'avantage supplémentaire de rendre le nouveau plastique plus facile à décomposer, à la fois en laboratoire et potentiellement dans la nature.

L'équipe d'Argonne a effectué le premier cycle de catalyse sur des produits HDPE usagés, y compris des cruches d'eau et des emballages. Les catalyseurs choisissent au hasard les points à modifier dans les chaînes polymères pour les rendre réactifs. Plus longtemps les scientifiques laissent le HDPE avec le catalyseur, plus les chaînes sont activées.

Ensuite, l'équipe de Cornell a pris ces chaînes polymères activées et les a exposées à un autre catalyseur. À ce stade, le catalyseur brise les chaînes et modifie davantage les extrémités pour permettre le réassemblage.

Le principal défi consistait à reproduire les mêmes propriétés matérielles du HDPE, telles que la résistance et la flexibilité par rapport à la fragilité, dans le nouveau matériau. Lorsque les catalyseurs décomposent le HDPE, il est important qu'il reste suffisamment de longues chaînes polymères pour se lier les unes aux autres comme des fils, ce qui rend le matériau plus résistant aux contraintes.

Lorsque l'équipe de Cornell a initialement repolymérisé le matériau catalysé, il était beaucoup plus fragile que le HDPE de départ. Ils ont ensuite affiné les catalyseurs pour briser les chaînes polymères de manière à fournir une quantité contrôlée de ramification lorsque le matériau est repolymérisé. Cette ramification permet aux chaînes de se former à partir des groupes terminaux, augmentant ainsi la longueur moyenne des chaînes dans le matériau résultant. Cette approche a abouti à un matériau avec les mêmes propriétés que le HDPE de départ et une plus grande recyclabilité.

Les travaux futurs se concentreront sur l'évaluation de la biodégradabilité du nouveau matériau et la réduction de la quantité de métal précieux utilisé pour le catalyseur afin de réduire le coût global de recyclage. L'équipe espère également appliquer sa stratégie à d'autres plastiques courants.

En plus de Coates et Delferro, les auteurs incluent Alejandra Arroyave d'Argonne et Shilin Cui, Andrew Kocen, Anne LaPointe et Jaqueline Lopez de l'Université Cornell.

Plus d'information: Alejandra Arroyave et al, Recyclage chimique catalytique du polyéthylène post-consommation, Journal de l'American Chemical Society (2022). DOI : 10.1021/jacs.2c11949