Source: The Conversation – in French – By Yimin Wu, Associate Professor, Tang Family Chair in New Energy Materials and Sustainability, University of Waterloo
Le plastique est un des matériaux les plus durables jamais créés. Sa durabilité l’a rendu indispensable dans les domaines de la médecine, de l’emballage alimentaire et des transports. Cependant, elle est également à l’origine d’un des problèmes environnementaux les plus graves auxquels nous sommes confrontés.
Chaque année, des centaines de millions de tonnes de plastique sont produites dans le monde. Une grande partie de ces déchets finit dans des sites d’enfouissement, des incinérateurs ou dans la nature, où ils peuvent mettre des siècles à se décomposer.
Les méthodes dont nous disposons pour lutter contre la pollution plastique présentent des inconvénients. Leur dépôt dans des sites d’enfouissements entraîne une fuite de produits chimiques et de microplastiques dans l’environnement.
L’incinération libère des fumées nocives et des toxines. Le recyclage mécanique dégrade souvent les plastiques en produits de moindre valeur, tandis que le recyclage chimique requiert des températures et des pressions élevées, ainsi que d’importantes quantités d’énergie.
Mes collègues et moi-même avons récemment publié une étude qui explore une nouvelle possibilité. Nous avons utilisé la lumière du soleil et un catalyseur à base de fer pour transformer des déchets plastiques en acide acétique, qui est le composant principal du vinaigre, mais aussi un produit chimique industriel important.
Nous avons pu démontrer que, plutôt que de considérer le plastique comme un simple déchet, nous pouvons le convertir en un produit utile dans des conditions modérées.
Tirer des enseignements d’un champignon
C’est la nature qui a inspiré nos recherches. Le champignon de la pourriture blanche du bois, Phanerochaete chrysosporium, est réputé pour sa capacité à décomposer la lignine, l’un des polymères les plus résistants que l’on trouve dans le bois. Il y parvient grâce à des enzymes qui produisent des espèces chimiques hautement réactives pouvant décomposer des structures carbonées complexes.
Nous nous sommes demandé si un matériau synthétique pouvait reproduire cette stratégie.
Le catalyseur que nous avons conçu est du nitrure de carbone dopé au fer, un semi-conducteur qui absorbe la lumière visible. Nous avons ensuite ancré des atomes de fer individuels, de manière à créer ce qu’on appelle un catalyseur à atome unique.
Au lieu de former des nanoparticules, chaque atome de fer est isolé et intégré à la structure du nitrure de carbone. Cette précision atomique est cruciale. Chaque atome de fer se comporte comme un site actif dans une enzyme naturelle, ce qui optimise l’efficacité tout en garantissant la stabilité.
Une réaction en deux étapes activée par la lumière
Le système fonctionne grâce à une cascade de réactions activées par la lumière.
Sous l’effet de la lumière du soleil et en présence de peroxyde d’hydrogène, les sites ferriques activent le peroxyde afin de générer des radicaux hydroxyles hautement réactifs. Un radical est un atome, une molécule ou un ion possédant au moins un électron non apparié, ce qui le rend très réactif sur le plan chimique.
Ces radicaux attaquent les longues chaînes de carbone qui composent les plastiques, comme le polyéthylène (qu’on trouve dans les sacs en plastique), le polypropylène (récipients alimentaires), le PET (bouteilles de boissons) et même le PVC (tuyaux et emballages).
Les polymères s’oxydent progressivement et se décomposent en molécules plus petites, jusqu’à devenir du dioxyde de carbone (CO2).
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Au lieu de laisser s’échapper le CO2, ce catalyseur remplit alors une deuxième fonction : il utilise la lumière du soleil pour réduire le CO2 en acide acétique. Autrement dit, le carbone contenu dans les déchets plastiques est d’abord oxydé, puis réassemblé pour former une nouvelle molécule utile.
Concrètement, cette approche permet de décomposer le plastique et de convertir le carbone ainsi obtenu en un produit chimique de base au sein d’un même système. C’est ce qui la distingue de la plupart des technologies de recyclage existantes.
Pourquoi de l’acide acétique ?
L’acide acétique est connu comme étant l’ingrédient acide du vinaigre, mais c’est aussi une matière première industrielle importante. On s’en sert pour fabriquer des adhésifs, des revêtements, des solvants, des fibres synthétiques et des produits pharmaceutiques.
La demande mondiale en acide acétique s’élève à plusieurs millions de tonnes chaque année, ce qui représente un marché de plusieurs milliards de dollars.
Actuellement, la majeure partie de l’acide acétique est produite par un procédé très énergivore appelé « carbonylation du méthanol », dans lequel le méthanol réagit avec du monoxyde de carbone à haute température.
La transformation des rebuts plastiques en acide acétique permet d’adopter une approche circulaire : au lieu d’extraire du carbone neuf, nous réutilisons celui qui est déjà présent dans les déchets.
Dans le cadre de nos expériences, le système a produit de l’acide acétique à des taux comparables à ceux d’autres méthodes de conversion des plastiques par la lumière. Lorsque nous avons optimisé l’utilisation de la lumière à l’intérieur du réacteur, le taux de production a considérablement augmenté.
Il est important de noter que la réaction s’est déroulée à température ambiante et à pression atmosphérique normale. Cela contraste avec de nombreuses méthodes de recyclage chimique qui nécessitent de chauffer les plastiques à plusieurs centaines de degrés Celsius.
Des plastiques courants
Les études en laboratoire portent souvent sur des plastiques purs et isolés. Or, les déchets réels sont mélangés et contaminés. Nous avons donc testé différents plastiques courants séparément, ainsi que sous forme de mélanges.
Notre catalyseur a permis de transformer plusieurs matières plastiques du commerce. Nous avons remarqué que le PVC affichait des performances particulièrement élevées. Nous pensons que le chlore libéré lors de sa dégradation pourrait générer des radicaux supplémentaires, accélérant ainsi le processus de dégradation.
Les atomes de fer restaient dispersés à l’échelle atomique après plusieurs utilisations, ce qui témoigne d’une bonne stabilité. Cet aspect est important, car la dégradation du catalyseur ou la lixiviation des métaux peuvent nuire aux performances et à la sécurité environnementale.
Le système repose sur l’ajout de peroxyde d’hydrogène, qui est consommé au cours de la réaction. Bien que le peroxyde d’hydrogène se décompose en eau et en oxygène, ce qui le rend relativement inoffensif, il faudra se pencher sur une manière durable de le fournir à grande échelle dans le cadre de travaux futurs.
De la conception à la mise en pratique
Reproduire à grande échelle un nouveau procédé chimique est toujours un défi. La pénétration de la lumière, la conception des réacteurs et la variabilité des matières premières issues des déchets plastiques ont une incidence sur l’efficacité de la réaction. Les additifs présents dans les plastiques commerciaux, tels que les stabilisants, les pigments et les plastifiants, peuvent également influencer les résultats.
Afin d’étudier la faisabilité de notre méthode, nous avons effectué une évaluation technico-économique préliminaire. Cette démarche sert à analyser les avantages économiques d’un procédé industriel ou d’un produit.
Bien qu’une optimisation supplémentaire soit nécessaire, l’évaluation suggère que le fait de combiner le traitement des déchets avec la fabrication d’un produit chimique de valeur pourrait permettre de compenser les coûts, notamment grâce aux avantages environnementaux.
Ces travaux mettent également en évidence le potentiel des catalyseurs à atome unique et de la conception bio-inspirée. En reproduisant la manière dont les enzymes contrôlent la réactivité à des sites métalliques précis, nous parvenons à effectuer des transformations chimiques complexes dans des conditions modérées, en utilisant la lumière du soleil comme source d’énergie.
Revoir le cycle de vie du plastique
Le problème de la pollution plastique ne pourra pas être résolu par une seule technologie. Il est essentiel de réduire l’utilisation de ce matériau, d’améliorer la conception des produits et de perfectionner les systèmes de recyclage.
La transformation des déchets plastiques en produits utiles constitue une stratégie complémentaire. Elle permet de considérer le plastique comme une source de carbone et non seulement comme un fardeau pour l’environnement.
Si nous réussissons à exploiter l’énergie solaire pour effectuer ces transformations de manière efficace et à grande échelle, les emballages d’hier pourraient devenir la matière première industrielle de demain.
Le défi consiste désormais à transposer nos avancées au laboratoire en systèmes robustes et adaptables. Si nous y parvenons, nous franchirons une étape importante vers une économie plus circulaire, dans laquelle les déchets ne marquent pas la fin d’une histoire, mais le début d’une nouvelle.
Yimin Wu bénéficie d’un financement de la Chaire Tang en matériaux énergétiques nouveaux et en développement durable, du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada, ainsi que d’un financement de démarrage de l’Institut de l’eau (WI) et de l’Institut de nanotechnologie de Waterloo (WIN) de l’Université de Waterloo.
– ref. Comment transformer des déchets plastiques en vinaigre grâce à l’énergie solaire – https://theconversation.com/comment-transformer-des-dechets-plastiques-en-vinaigre-grace-a-lenergie-solaire-278928