Les chercheurs ont développé une méthode pour recycler les plastiques en tensioactifs précieux utilisés dans des produits comme le savon et les détergents. Cette découverte, ancrée dans la similitude moléculaire entre les plastiques polyéthylène et les acides gras, pourrait offrir une alternative rentable et écologique au recyclage traditionnel.
Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode pour recycler les plastiques, tels que ceux des cartons de lait, des contenants alimentaires et des sacs en plastique, en savon. La méthode : Chauffer les longues chaînes carbonées des plastiques puis les refroidir rapidement.
Des chercheurs de Virginia Tech ont développé une nouvelle technique pour recycler les plastiques en produits chimiques précieux appelés tensioactifs, qui sont utilisés pour créer du savon, des détergents et bien plus encore.
Les plastiques et les savons ont tendance à avoir peu de points communs en ce qui concerne la texture, l’apparence et, surtout, la manière dont ils sont utilisés. Mais il existe un lien surprenant entre les deux au niveau moléculaire : la structure chimique du polyéthylène – l’un des plastiques les plus couramment utilisés dans le monde aujourd’hui – est étonnamment similaire à celle d’un matériau gras. acide, qui est utilisé comme précurseur chimique du savon. Les deux matériaux sont constitués de longues chaînes carbonées, mais les acides gras possèdent un groupe supplémentaire d’atomes à l’extrémité de la chaîne.
Guoliang « Greg » Liu, professeur agrégé de chimie au Virginia Tech College of Science, pensait depuis longtemps que cette similitude impliquait qu’il devrait être possible de convertir le polyéthylène en acides gras – et avec quelques étapes supplémentaires dans le processus – pour produire du savon. Le défi était de savoir comment diviser une longue chaîne en polyéthylène en plusieurs chaînes courtes – mais pas trop courtes – et comment le faire efficacement. Liu pensait qu’il existait un potentiel pour une nouvelle méthode de recyclage qui pourrait transformer les déchets plastiques de faible valeur en un produit utile et de grande valeur.
Guoliang « Greg » Liu tient une cruche d’eau commune dans son laboratoire de Hahn Hall South. Crédit : Photo de Steven Mackay pour Virginia Tech.
Après avoir réfléchi à la question pendant un certain temps, Liu a été frappé par l’inspiration alors qu’il profitait d’une soirée d’hiver au coin du feu. Il a regardé la fumée s’élever du feu et a réfléchi à la façon dont la fumée était composée de minuscules particules produites lors de la combustion du bois.
Bien que les plastiques ne devraient jamais être brûlés dans une cheminée pour des raisons de sécurité et d’environnement, Liu a commencé à se demander ce qui se passerait si le polyéthylène pouvait être brûlé dans un laboratoire sûr. La combustion incomplète du polyéthylène produirait-elle de la « fumée », tout comme la combustion du bois ? Si quelqu’un captait cette fumée, de quoi serait-elle composée ?
« Le bois de chauffage est principalement composé de polymères comme la cellulose. La combustion du bois de chauffage brise ces polymères en chaînes courtes, puis en petites molécules gazeuses avant leur oxydation complète en dioxyde de carbone », a déclaré Liu, titulaire de la bourse Blackwood Junior Academic Fellowship of Life Sciences au Département de chimie. « Si nous décomposons de la même manière les molécules de polyéthylène synthétique mais arrêtons le processus avant qu’elles ne se décomposent en petites molécules gazeuses, nous devrions alors obtenir des molécules à chaîne courte, semblables au polyéthylène. »
Avec l’aide de Zhen Xu et Eric Munyaneza, deux doctorants. Étudiants en chimie dans le laboratoire de Liu, Liu a construit un petit réacteur semblable à un four où ils pouvaient chauffer du polyéthylène selon un processus appelé thermolyse par gradient de température. En bas, le four est à une température suffisamment élevée pour briser les chaînes polymères, et en haut, le four est refroidi à une température suffisamment basse pour arrêter toute dégradation ultérieure. Après la thermolyse, ils ont rassemblé les résidus – un peu comme on nettoie la suie d’une cheminée – et ont découvert que l’intuition de Liu était juste : il était composé de « polyéthylène à chaîne courte », ou plus précisément de cires.
Un ballon rempli de cires générées à partir de déchets de polyéthylène et de polypropylène est chauffé dans un bain d’huile, et les cires sont oxydées par un flux d’air pour produire des acides gras par oxydation catalytique. Crédit : Photo de Steven Mackay pour Virginia Tech.
Il s’agit de la première étape du développement d’une méthode de recyclage des plastiques en savon, a déclaré Liu. Après avoir ajouté quelques étapes supplémentaires, notamment la saponification, l’équipe a fabriqué le premier savon au monde à partir de plastique. Pour poursuivre le processus, l’équipe a fait appel à des experts en modélisation informatique, en analyse économique, etc.
Certains de ces experts ont été présentés à l’équipe grâce à des liens avec le Macromolecules Innovation Institute de Virginia Tech. Ensemble, le groupe a documenté et affiné le processus de recyclage jusqu’à ce qu’il soit prêt à être partagé avec la communauté scientifique. Le travail a été récemment publié dans la revue Science.
« Notre recherche démontre une nouvelle voie de recyclage du plastique sans utiliser de nouveaux catalyseurs ni de procédures complexes. Dans ce travail, nous avons montré le potentiel d’une stratégie tandem pour le recyclage du plastique », a déclaré Xu, auteur principal de l’article. « Cela incitera les gens à développer des conceptions plus créatives de procédures de surcyclage à l’avenir. »
Bien que le polyéthylène soit le plastique qui a inspiré ce projet, la méthode de recyclage peut également fonctionner sur un autre type de plastique appelé polypropylène. Ces deux matériaux constituent une grande partie du plastique que les consommateurs rencontrent quotidiennement, des emballages de produits aux contenants alimentaires en passant par les tissus. L’une des caractéristiques intéressantes de la nouvelle méthode de surcyclage de Liu est qu’elle peut être utilisée sur ces deux plastiques à la fois, ce qui signifie qu’il n’est pas nécessaire de les séparer l’un de l’autre. Il s’agit d’un avantage majeur par rapport à certaines méthodes de recyclage utilisées aujourd’hui, qui nécessitent un tri minutieux des plastiques pour éviter toute contamination. Ce processus de tri peut être assez difficile, en raison de la similitude des deux plastiques.
(De gauche à droite) Eric Munyaneza et Guoliang « Greg » Liu préparent des matières plastiques à recycler en un liquide d’acide gras dans le laboratoire de Liu à Hahn Hall South. Munyaneza est également un auteur sur le Science étude de revue. Crédit : Photo de Steven Mackay pour Virginia Tech.
Un autre avantage de la technique d’upcycling est qu’elle a des exigences très simples : du plastique et de la chaleur. Bien que les étapes ultérieures du processus nécessitent des ingrédients supplémentaires pour convertir les molécules de cire en acides gras et en savon, la transformation initiale du plastique est une réaction simple. Cela contribue à la rentabilité de la méthode ainsi qu’à son impact environnemental relativement faible.
Pour que le surcyclage soit efficace à grande échelle, le produit final doit être suffisamment précieux pour couvrir les coûts du processus et le rendre économiquement plus attractif que les options alternatives de recyclage.
Même si les savons ne semblent pas à première vue être un produit particulièrement cher, ils peuvent en réalité valoir le double ou le triple du prix du plastique si on le compare au poids. Actuellement, le prix moyen du savon et des détergents s’élève à environ 3 550 dollars la tonne métrique, et celui du polyéthylène à environ 1 150 dollars la tonne métrique. De plus, la demande de savons et de produits connexes est comparable à la demande de plastiques.
Cette recherche jette les bases d’une nouvelle façon de réduire les déchets en canalisant les plastiques usagés vers la production d’autres matériaux utiles, a déclaré Liu. Avec le temps, il espère que les installations de recyclage du monde entier commenceront à mettre en œuvre cette technique. Si tel est le cas, les consommateurs peuvent s’attendre à avoir un jour la possibilité d’acheter des savons durables révolutionnaires qui conduisent également à une réduction des déchets plastiques dans les décharges.
Pour cette raison, transformer les plastiques en savons peut s’avérer économiquement viable, a ajouté Liu, qui est également membre affilié du corps professoral du programme de nanosciences, qui fait partie de l’Académie des sciences intégrées du Collège des sciences ainsi que du Département de science des matériaux et Ingénierie au Virginia Tech College of Engineering.
« Il faut comprendre que la pollution plastique est un défi mondial plutôt qu’un problème limité à quelques grands pays. Comparé à un processus sophistiqué et à un catalyseur ou réactif complexe, un processus simple peut être plus accessible à de nombreux autres pays dans le monde », a déclaré Xu. « J’espère que cela pourra être un bon début pour la guerre contre la pollution plastique. »
