Le nouveau procédé récupère 99 % des monomères (illustrés ici), les éléments constitutifs du nylon. Après avoir récupéré les monomères, l’industrie peut recycler le nylon en produits de plus grande valeur. Crédit : Université Northwestern
Les filets de pêche, les tapis et les vêtements se décomposent sans produire de sous-produits nocifs.
De nombreuses personnes connaissent les scènes troublantes de créatures marines, telles que les tortues de mer, les dauphins et les phoques, prises au piège dans des filets de pêche abandonnés.
Le principal problème du nylon-6, un plastique présent dans ces filets ainsi que dans les tapis et les vêtements, est sa résistance et sa durabilité excessives, qui l’empêchent de se décomposer naturellement. Par conséquent, lorsqu’il pénètre dans l’environnement, il persiste pendant des milliers d’années, polluant les plans d’eau, endommageant les récifs coralliens et mettant en danger les oiseaux et les animaux marins.
Aujourd’hui, les chimistes de l’Université Northwestern ont développé un nouveau catalyseur qui décompose rapidement, proprement et complètement le nylon-6 en quelques minutes, sans générer de sous-produits nocifs. Mieux encore : le processus ne nécessite pas de solvants toxiques, de matériaux coûteux ou de conditions extrêmes, ce qui le rend pratique pour les applications quotidiennes.
Non seulement ce nouveau catalyseur pourrait jouer un rôle important dans l’assainissement de l’environnement, mais il pourrait également constituer la première étape du recyclage des déchets de nylon-6 en produits de plus grande valeur.
Regardez le catalyseur fonctionner pour dégrader un échantillon de 1 gramme de Nylon-6. Crédit: Université du nord-ouest
La recherche a été récemment publiée dans la revue Chimie.
« Le monde entier est conscient du problème du plastique », a déclaré Tobin Marks de Northwestern, auteur principal de l’étude. « Le plastique fait partie de notre société ; nous en utilisons tellement. Mais le problème est le suivant : que faisons-nous lorsque nous en avons terminé ? Idéalement, nous ne le brûlerions pas et ne le mettrions pas dans des décharges. Nous le recyclerions. Nous développons des catalyseurs qui déconstruisent ces polymères, leur redonnant leur forme originale, afin qu’ils puissent être réutilisés.
Marks est professeur de chimie Charles E. et Emma H. Morrison et professeur Vladimir N. Ipatieff de chimie catalytique au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et professeur de science et d’ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de Northwestern. Il est également professeur affilié à l’Institut Paula M. Trienens pour le développement durable et l’énergie. Les co-auteurs du Nord-Ouest incluent Linda J. Broadbelt, professeure Sarah Rebecca Roland de génie chimique et biologique et doyenne associée principale de McCormick, et Yosi Kratish, professeur adjoint de recherche dans le groupe de Marks.
Une difficulté mortelle
Des vêtements aux tapis en passant par les ceintures de sécurité, le nylon-6 se retrouve dans une variété de matériaux que la plupart des gens utilisent quotidiennement. Mais lorsque les gens en ont fini avec ces matériaux, ils finissent dans les décharges ou pire : en vrac dans l’environnement, y compris dans l’océan. Selon la Fédération mondiale de la nature, jusqu’à 1 million de livres d’engins de pêche sont abandonnés dans l’océan chaque année, les filets de pêche composés de nylon 6 représentant au moins 46 % de la zone de déchets du Grand Pacifique.
Une tortue de mer empêtrée dans un filet de pêche abandonné. Crédit : NOAA
« Les filets de pêche perdent en qualité après quelques années d’utilisation », a déclaré Liwei Ye, premier auteur principal de l’article et chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Marks. « Ils sont tellement gorgés d’eau qu’il est difficile de les sortir de l’océan. Et leur remplacement est si bon marché que les gens les laissent simplement dans l’eau et en achètent de nouveaux.
« Il y a beaucoup de déchets dans l’océan », a ajouté Marks. « Le carton et les déchets alimentaires se biodégradent. Les métaux coulent au fond. Ensuite, il nous reste les plastiques. »
Le solvant le plus vert n’est pas un solvant
Les méthodes actuelles pour éliminer le Nylon-6 se limitent simplement à l’enfouir dans des décharges. Lorsque le nylon-6 est brûlé, il émet des polluants toxiques tels que des oxydes d’azote, qui sont liés à diverses complications de santé, notamment une mort prématurée, ou du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre notoirement puissant.
Bien que d’autres laboratoires aient exploré des catalyseurs pour dégrader le nylon-6, ces catalyseurs nécessitent des conditions extrêmes (telles que des températures pouvant atteindre 350 degrés). Celsius), de la vapeur à haute pression (qui est coûteuse en énergie et inefficace) et/ou des solvants toxiques qui ne font que contribuer à davantage de pollution.
« On peut dissoudre les plastiques dans acide, mais ensuite vous vous retrouvez avec de l’eau sale », a déclaré Marks. « Que fais-tu avec ça ? Le but est toujours d’utiliser un solvant vert. Et quel type de solvant est plus écologique que pas de solvant du tout ? »
Le nouveau catalyseur dégrade l’échantillon de nylon-6 en quelques minutes. Crédit : Université Northwestern
Récupérer des éléments de base pour le recyclage
Pour contourner ces problèmes, les chercheurs se sont tournés vers un nouveau catalyseur déjà développé dans le laboratoire de Marks. Le catalyseur exploite l’yttrium (un métal peu coûteux et abondant sur Terre) et les ions lanthanides. Lorsque l’équipe a chauffé des échantillons de nylon-6 à des températures de fusion et appliqué le catalyseur sans solvant, le plastique s’est effondré, revenant à ses éléments de base d’origine sans laisser de sous-produits.
« Vous pouvez imaginer un polymère comme un collier ou un collier de perles », a expliqué Marks. « Dans cette analogie, chaque perle est un monomère. Ces monomères sont les éléments constitutifs. Nous avons trouvé un moyen de briser le collier tout en récupérant ces perles.
Lors d’expériences, Marks et son équipe ont pu récupérer 99 % des monomères d’origine des plastiques. En principe, ces monomères pourraient ensuite être recyclés en produits de plus grande valeur, actuellement très demandés pour leur résistance et leur durabilité.
« Le nylon recyclé vaut en réalité plus d’argent que le nylon ordinaire », a déclaré Marks. « De nombreuses marques de mode haut de gamme utilisent du nylon recyclé dans leurs vêtements. »
Cibler efficacement le Nylon-6
En plus de récupérer un rendement élevé en monomères, le catalyseur est hautement sélectif : il agit uniquement sur les polymères Nylon-6 sans perturber les matériaux environnants. Cela signifie que l’industrie pourrait appliquer le catalyseur à de grands volumes de déchets non triés et cibler sélectivement le nylon-6.
« Si vous ne disposez pas d’un catalyseur sélectif, comment séparer le nylon du reste des déchets ? » dit Marks. « Il faudrait embaucher des humains pour trier tous les déchets afin d’enlever le nylon. C’est extrêmement coûteux et inefficace. Mais si le catalyseur ne fait que dégrader le nylon et laisse tout le reste derrière lui, c’est incroyablement efficace.
Le recyclage de ces monomères évite également de devoir produire davantage de plastiques à partir de zéro.
« Ces monomères sont produits à partir de pétrole brut, ils ont donc une énorme empreinte carbone », a déclaré Ye. « Ce n’est tout simplement pas durable. »
Et après?
Après avoir déposé un brevet pour le nouveau procédé, Marks et son équipe ont déjà suscité l’intérêt de partenaires industriels potentiels. Ils espèrent que d’autres pourront utiliser leurs catalyseurs à grande échelle pour contribuer à résoudre le problème mondial du plastique.
« Notre recherche représente une avancée significative dans le domaine du recyclage des polymères et de la gestion durable des matériaux », a déclaré Ye. « L’approche innovante comble une lacune critique dans les technologies de recyclage actuelles, offrant une solution pratique et efficace au problème des déchets de nylon. Nous pensons que cela a des implications pour réduire l’empreinte environnementale des plastiques et contribuer à une économie circulaire.
L’étude a été soutenue par RePLACE (Redesigning Polymers to Leverage A Circular Economy), financé par l’Office of Science du Département américain de l’énergie (numéros de récompense SC0022290 et DE-FG02-03ER15457) et la National Science Foundation (numéro de subvention CHE-1856619). ). Un soutien supplémentaire est venu de l’Institut de catalyse dans les processus énergétiques, qui est un projet de recherche majeur au sein du Centre de catalyse et de science des surfaces de l’Institut Paula M. Trienens pour la durabilité et l’énergie.
