L’avenir du recyclage en plastique pourrait bientôt devenir beaucoup moins compliqué, frustrant et fastidieux.
Dans une nouvelle étude, les chimistes de l’Université du Nord-Ouest ont introduit un nouveau processus de recyclage plastique qui peut réduire considérablement – ou peut-être même contourner pleinement – la corvée laborieuse des déchets plastiques mixtes pré-sortants.
Le processus exploite un nouveau catalyseur à base de nickel bon marché qui décompose sélectivement les plastiques polyoléfines constitués de polyéthylènes et de polypropylènes – le type à usage unique qui domine près des deux tiers de la consommation globale plastique. Cela signifie que les utilisateurs industriels pourraient appliquer le catalyseur à de grands volumes de déchets de polyoléfine non triés.
Lorsque le catalyseur décompose les polyoléfines, les plastiques solides à faible valeur se transforment en huiles et cires liquides, qui peuvent être recyclées en produits de plus grande valeur, notamment des lubrifiants, des carburants et des bougies. Non seulement il peut être utilisé plusieurs fois, mais le nouveau catalyseur peut également décomposer les plastiques contaminés par du chlorure de polyvinyle (PVC), un polymère toxique qui rend notoirement les plastiques «non recyclables».
L’étude a été publiée le 2 septembre dans la revue Chimie de la nature.
“L’un des plus grands obstacles du recyclage en plastique a toujours été la nécessité de trier méticuleusement les déchets plastiques par type”, a déclaré Tobin Marks de Northwestern, l’auteur principal de l’étude. “Notre nouveau catalyseur pourrait contourner cette étape coûteuse et à forte intensité de main-d’œuvre pour les plastiques polyoléfines courants, ce qui rend le recyclage plus efficace, pratique et économiquement viable que les stratégies actuelles.”
“Lorsque les gens pensent au plastique, ils pensent probablement aux polyoléfines”, a déclaré Yosi Kratish de Northwestern, un auteur de co-correspondant sur le journal. “Fondamentalement, presque tout dans votre réfrigérateur est à base de polyoléfine – des bouteilles compressées pour les condiments et les vinaigrettes, les cruches à lait, la pellicule plastique, les sacs poubelles, les ustensiles jetables, les cartons de jus et bien plus encore. en microplastiques nocifs. “
Un expert en catalyse de renommée mondiale, Marks est le professeur de chimie catalytique de Vladimir N. Ipatieff au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et professeur de génie chimique et biologique à la McCormick School of Engineering de Northwestern. Il est également affilié au corps professoral au Paula M. Triens Institute for Sustainability and Energy. Kratish est professeur adjoint de recherche dans le groupe de Marks et membre du corps professoral affilié au Triens Institute. Qingheng Lai, un associé de recherche dans le groupe de Marks, est le premier auteur de l’étude. Marks, Kratistish et Lai ont co-a co-éturé l’étude avec Jeffrey Miller, professeur de génie chimique à l’Université Purdue; Michael Wasielewski, professeur de chimie de Clare Hamilton Hall à Weinberg; et à Takeshi Kobayashi un chercheur à l’Ames National Laboratory.
La situation de polyoléfine
Des tasses de yaourt et des emballages de collations aux bouteilles de shampooing et aux masques médicaux, la plupart des gens interagissent avec des plastiques polyoléfines plusieurs fois tout au long de la journée. En raison de sa polyvalence, les polyoléfines sont le plastique le plus utilisé au monde. Selon certaines estimations, l’industrie produit chaque année plus de 220 millions de tonnes de produits polyoléfines dans le monde. Pourtant, selon un rapport de 2023 dans la revue Nature, les taux de recyclage des plastiques de polyoléfine sont alarmants, allant de moins de 1% à 10% dans le monde.
La principale raison de ce taux de recyclage décevant est la composition robuste et obstinée de la polyoléfine. Il contient de petites molécules liées avec des liaisons carbone-carbone, qui sont célèbres difficiles à briser.
“Lorsque nous concevons des catalyseurs, nous ciblons des points faibles”, a déclaré Kratish. “Mais les polyoléfines n’ont pas de liens faibles. Chaque liaison est incroyablement forte et chimiquement peu réactive.”
Problèmes avec les processus actuels
Actuellement, seuls quelques processus, moins qu’idéaux, qui peuvent recycler la polyoléfine. Il peut être déchiqueté dans des flocons, qui sont ensuite fondus et descendants pour former des pastilles en plastique de basse qualité. Mais parce que différents types de plastiques ont des propriétés et des points de fusion différents, le processus oblige les travailleurs à séparer scrupuleusement divers types de plastiques. Même de petites quantités d’autres plastiques, des résidus alimentaires ou des matériaux non plastiques peuvent compromettre un lot entier. Et ces lots compromis vont directement dans la décharge.
Une autre option consiste à chauffer des plastiques à des températures incroyablement élevées, atteignant 400 à 700 degrés Celsius. Bien que ce processus dégrade les plastiques polyoléfines dans un mélange utile de gaz et de liquides, il est extrêmement intensif en énergie.
“Tout peut être brûlé, bien sûr”, a déclaré Kratish. “Si vous appliquez suffisamment d’énergie, vous pouvez convertir n’importe quoi en dioxyde de carbone et en eau. Mais nous voulions trouver un moyen élégant d’ajouter la quantité minimale d’énergie pour dériver le produit de valeur maximale.”
Ingénierie de précision
Pour découvrir cette solution élégante, Marks, Kratish et leur équipe ont tourné vers l’hydrogénolyse, un processus qui utilise l’hydrogène gazeux et un catalyseur pour décomposer les plastiques de polyoléfine en hydrocarbures plus petits et utiles. Bien qu’il existe déjà des approches d’hydrogénolyse, elles nécessitent généralement des températures extrêmement élevées et des catalyseurs coûteux fabriqués à partir de métaux nobles comme le platine et le palladium.
“L’échelle de production des polyoléfines est énorme, mais les réserves mondiales de métaux nobles sont très limitées”, a déclaré Lai. “Nous ne pouvons pas utiliser l’ensemble de l’approvisionnement en métal pour la chimie. Et, même si nous l’avons fait, il n’y aurait toujours pas assez pour résoudre le problème du plastique. C’est pourquoi nous sommes intéressés par les métaux abondants de la Terre.”
Pour son catalyseur de recyclage de polyoléfine, l’équipe nord-ouest a identifié le nickel cationique, qui est synthétisé à partir d’un composé nickel abondant, peu coûteux et disponible dans le commerce. Alors que d’autres catalyseurs à base de nanoparticules de nickel ont plusieurs sites de réaction, l’équipe a conçu un catalyseur moléculaire à site unique.
La conception à site unique permet au catalyseur d’agir comme un scalpel hautement spécialisé – coupe préférentiellement des liaisons carbone-carbone – plutôt qu’un instrument émoussé moins contrôlé qui décompose sans discrimination toute la structure du plastique. En conséquence, le catalyseur permet la dégradation sélective des polyoléfines ramifiées (comme le polypropylène isotactique) lorsqu’ils sont mélangés avec des polyoléfines non ramifiées – les séparant efficacement chimiquement.
“Par rapport à d’autres catalyseurs à base de nickel, notre processus utilise un catalyseur à site unique qui fonctionne à une température de 100 degrés plus bas et à la moitié de la pression d’hydrogène”, a déclaré Kratish. “Nous utilisons également 10 fois moins de chargement de catalyseurs, et notre activité est 10 fois supérieure. Donc, nous gagnons dans toutes les catégories.”
Accéléré par contamination
Avec son site actif unique, défini avec précision et isolé, le catalyseur à base de nickel possède une activité et une stabilité sans précédent. Le catalyseur est si thermiquement et chimiquement stable, en fait, qu’il maintient le contrôle même lorsqu’il est exposé à des contaminants comme le PVC. Utilisé dans les tuyaux, le revêtement de sol et les dispositifs médicaux, le PVC est visuellement similaire à d’autres types de plastiques mais nettement moins stable lors du chauffage. Lors de la décomposition, le PVC libère du chlorure d’hydrogène, un sous-produit hautement corrosif qui désactive généralement les catalyseurs et perturbe le processus de recyclage.
Étonnamment, non seulement le catalyseur de Northwestern a résisté à la contamination en PVC, mais PVC a en fait accéléré son activité. Même lorsque le poids total du mélange de déchets est composé de 25% de PVC, les scientifiques ont constaté que leur catalyseur travaillait toujours avec des performances améliorées. Ce résultat inattendu suggère que la méthode de l’équipe pourrait surmonter l’un des plus grands obstacles dans le recyclage du plastique mixte – la rupture des déchets actuellement jugés “non recyclables” en raison de la contamination en PVC. Le catalyseur peut également être régénéré sur plusieurs cycles grâce à un traitement simple avec de l’alkylaluminium bon marché.
“L’ajout de PVC à un mélange de recyclage a toujours été interdit”, a déclaré Kratish. “Mais apparemment, cela rend notre processus encore meilleur. C’est fou. Ce n’est certainement pas quelque chose que quelqu’un s’attendait.”
L’étude, «Catalyseur organo-Ni stable à site unique, des liaisons en polyoléfine CC ramifiées de préférence», a été soutenue par le Département américain de l’Énergie (numéro de récompense De-SC0024448) et la Dow Chemical Company.