Alors que des tonnes de déchets plastiques continuent de s'accumuler dans des décharges chaque jour, les chercheurs de Yale ont développé un moyen de convertir ces déchets en carburants et autres produits précieux efficacement et à moindre coût. Les résultats sont publiés dans Génie chimique de la nature.
Plus précisément, les chercheurs utilisent une méthode connue sous le nom de pyrolyse, un processus d'utilisation de la chaleur en l'absence d'oxygène pour décomposer moléculairement les matériaux. Dans ce cas, il est utilisé pour rompre les plastiques aux composants qui produisent des carburants et d'autres produits. L'étude a été dirigée par les professeurs d'ingénierie de Yale Liangbing Hu et Shu Hu, tous deux membres du Center for Materials Innovation et du Yale Energy Sciences Institute.
Les méthodes conventionnelles de pyrolyse utilisent souvent un catalyseur pour accélérer les réactions chimiques et obtenir un rendement élevé, mais c'est une méthode qui vient avec des limites significatives.
« Chaque fois que vous parlez de catalyseurs, ils sont très chers et vous avez un problème de vie car les catalyseurs finiront par mourir par différents moyens », a déclaré Liangbing Hu, le Carol et Douglas Professor de mélamed de Science électrique et informatique et de science des matériaux, et directeur de Center for Materials Innovation.
Les méthodes qui n'utilisent pas de catalyseur, cependant, ont tendance à avoir de faibles taux de conversion des déchets en produits d'utilisation.
Pour ce projet, les chercheurs ont trouvé un moyen de contourner ces deux obstacles et ont développé une méthode de pyrolyse hautement sélective, économe en énergie et sans catalyseur qui peut convertir le plastique en produits chimiques précieux.
La clé, disent-ils, est un réacteur de colonne de carbone chauffée électriquement imprimé en 3D composé de trois sections de taille des pores décroissante. La première section est composée de pores d'un millimètre, tandis que la section suivante contient des pores de 500 micromètres, et la troisième section est composée de pores de 200 nanomètres.
Au fur et à mesure que les produits chimiques passent dans le réacteur, la structure poreuse hiérarchique joue un rôle pivot dans le contrôle de la progression de la réaction des produits chimiques. D'une part, cela empêche les plus grandes molécules de progresser dans le réacteur avant d'être suffisamment décomposés.
De plus, il fournit un moyen de contrôler la température dans le réacteur, ce qui empêche la coke et d'autres effets qui peuvent inhiber le processus.
Pour tester le système, les chercheurs ont essayé le réacteur sur un échantillon de plastique commun appelé polyéthylène. Les résultats sont impressionnants: ils rapportent un rendement record de près de 66% des déchets plastiques convertis en produits chimiques qui peuvent être utilisés pour les carburants.
L'utilisation de l'impression 3D pour construire la structure a permis aux chercheurs de contrôler précisément les dimensions des pores du réacteur et d'étudier les effets de la pyrolyse.
Pour démontrer une conception plus évolutive, les chercheurs ont également utilisé un appareil composé de feutre en carbone disponible dans le commerce. Ils ont constaté que cette conception – sans optimisation selon laquelle une structure imprimée 3D a fournie – a toujours amélioré la sélectivité des produits de pyrolyse et a réalisé un rendement satisfaisant, convertissant plus de 56% du plastique en produits chimiques utiles.
« Ces résultats sont très prometteurs et montrent un grand potentiel pour placer ce système dans une application du monde réel et offrant une stratégie pratique pour convertir les déchets plastiques en matériaux précieux », a déclaré Shu Hu, professeur adjoint de génie chimique et environnemental.
