Même si les plastiques contribuent à garantir un niveau de vie moderne, leur accumulation dans les décharges et dans l’environnement en général continue de devenir une préoccupation mondiale.
Le polyéthylène téréphtalate (PET) est l'un des plastiques les plus utilisés au monde, avec des dizaines de millions de tonnes produites chaque année dans la production de bouteilles, d'emballages alimentaires et de fibres pour vêtements. La durabilité qui rend le PET si utile signifie également qu’il est plus difficile à recycler efficacement.
Aujourd’hui, les chercheurs ont développé une méthode pour décomposer le PET en utilisant des forces mécaniques plutôt que la chaleur ou des produits chimiques agressifs. Publié dans la revue Chimieleurs découvertes démontrent comment une méthode « mécanochimique » (des réactions chimiques provoquées par des forces mécaniques telles que des collisions) peut rapidement reconvertir le PET en ses éléments de base, ouvrant ainsi la voie à un recyclage plus rapide et plus propre.
Dirigée par la chercheuse postdoctorale Kinga Gołąbek et le professeur Carsten Sievers de l'école de génie chimique et biomoléculaire de Georgia Tech, l'équipe de recherche a frappé des morceaux solides de PET avec des billes métalliques avec la même force qu'elle subirait dans une machine appelée broyeur à boulets.
Cela peut faire réagir le PET avec d'autres produits chimiques solides tels que l'hydroxyde de sodium (NaOH), générant suffisamment d'énergie pour rompre les liaisons chimiques du plastique à température ambiante, sans avoir recours à des solvants dangereux.
« Nous montrons que les impacts mécaniques peuvent aider à décomposer les plastiques en leurs molécules d'origine de manière contrôlable et efficace », a déclaré Sievers. « Cela pourrait transformer le recyclage des plastiques en un processus plus durable. »
Cartographier l'impact
Pour démontrer le processus, les chercheurs ont utilisé des expériences contrôlées à impact unique ainsi que des simulations informatiques avancées pour cartographier la manière dont l'énergie des collisions se répartit sur le plastique et déclenche des transformations chimiques et structurelles.
Ces expériences ont montré des changements dans la structure et la chimie du PET dans de minuscules zones soumises à différentes pressions et chaleurs. En cartographiant ces transformations, l’équipe a acquis de nouvelles connaissances sur la façon dont l’énergie mécanique peut déclencher des réactions chimiques rapides et efficaces.
« Cette compréhension pourrait aider les ingénieurs à concevoir des systèmes de recyclage à l'échelle industrielle qui soient plus rapides, plus propres et plus économes en énergie », a déclaré Gołąbek.
Décomposer le plastique
Chaque collision créait un minuscule cratère dont le centre absorbait le plus d’énergie. Dans cette zone, le plastique s'étire, se fissure et même se ramollit légèrement, créant des conditions idéales pour des réactions chimiques avec l'hydroxyde de sodium.
L'imagerie et la spectroscopie à haute résolution ont révélé que les chaînes de polymères normalement ordonnées étaient devenues désordonnées au centre du cratère, tandis que certaines chaînes se brisaient en fragments plus petits, augmentant ainsi la surface exposée au réactif. Même sans hydroxyde de sodium, l’impact mécanique à lui seul a provoqué une rupture mineure de la chaîne, démontrant que la force mécanique elle-même peut déclencher une modification chimique.
L'étude a également montré l'importance de la quantité d'énergie délivrée par chaque impact. Les collisions à faible énergie ne perturbent que légèrement le PET, mais des impacts plus forts provoquent des fissures et des déformations plastiques, exposant de nouvelles surfaces susceptibles de réagir avec l'hydroxyde de sodium pour une dégradation chimique rapide.
« Comprendre ce seuil énergétique permet aux ingénieurs d'optimiser le recyclage mécanochimique, maximisant ainsi l'efficacité tout en minimisant la consommation d'énergie inutile », a expliqué Sievers.
Boucler la boucle sur les déchets plastiques
Ces résultats laissent présager un avenir dans lequel les plastiques pourront être entièrement recyclés pour redevenir leurs éléments de base d'origine, plutôt que d'être sous-cyclés ou jetés. En exploitant l’énergie mécanique au lieu de la chaleur ou des produits chimiques agressifs, le recyclage pourrait devenir plus rapide, plus propre et plus économe en énergie.
« Cette approche pourrait contribuer à boucler la boucle sur les déchets plastiques », a déclaré Sievers. « Nous pourrions imaginer des systèmes de recyclage dans lesquels les plastiques du quotidien seraient traités mécanochimiquement, donnant ainsi une nouvelle vie aux déchets de manière répétée et réduisant l'impact environnemental. »
L’équipe prévoit désormais de tester des flux de déchets réels et d’explorer si des méthodes similaires peuvent fonctionner pour d’autres plastiques difficiles à recycler, rapprochant ainsi le recyclage mécanochimique de l’utilisation industrielle.
« Avec des millions de tonnes de PET produites chaque année, l'amélioration de l'efficacité du recyclage pourrait réduire considérablement la pollution plastique et contribuer à protéger les écosystèmes du monde entier », a déclaré Gołąbek.
