Les chimistes réinventent le recyclage pour éviter que les plastiques ne se retrouvent dans les décharges

Une grande partie du plastique va dans les décharges parce que le matériau est trop difficile à recycler en nouveaux produits utiles.

Abdul Raheem Mohamed/EyeEm/Getty Images

Par Maria Temming

27 janvier 2021 à 10h19

Ça fait du bien de recycler. Il y a un certain sentiment d'accomplissement qui vient du tri consciencieux des bouteilles de soda, des sacs en plastique et des pots de yaourt du reste des ordures. Plus vous mettez de plastique dans cette poubelle bleue, plus vous évitez les décharges et les océans, n'est-ce pas ?

Faux. Peu importe la méticulosité avec laquelle vous nettoyez et séparez vos plastiques, la plupart finissent de toute façon à la poubelle.

Prenez des emballages alimentaires flexibles. Ces films contiennent plusieurs couches de plastiques différents. Parce que chaque plastique doit être recyclé séparément, ces films ne sont pas recyclables. Les sacs d'épicerie et le film rétractable sont trop fragiles et ont tendance à s'emmêler avec d'autres matériaux sur un tapis roulant. Le polypropylène des pots de yaourt et autres articles n'est généralement pas non plus recyclé ; le recyclage d'un méli-mélo de polypropylène produit un plastique sombre et malodorant que peu de fabricants utiliseront.

Seuls deux types de plastique sont couramment recyclés aux États-Unis : le type de bouteilles de soda en plastique, de polyéthylène téréphtalate ou de PET ; et le plastique trouvé dans les pots à lait et les contenants de détergent - polyéthylène haute densité ou HDPE. Ensemble, ces plastiques ne représentent qu'environ un quart des déchets plastiques mondiaux, ont rapporté des chercheurs en 2017 dans Science Advances. Et lorsque ces plastiques sont recyclés, ils ne sont pas bons à grand-chose. La fonte du plastique pour le recycler modifie sa consistance, de sorte que le PET des bouteilles doit être mélangé avec du plastique neuf pour obtenir un produit final solide. Le recyclage d'un mélange de pièces multicolores en PEHD crée un plastique sombre qui sert uniquement à la fabrication de produits tels que des bancs de parc et des poubelles, dans lesquels les propriétés telles que la couleur importent peu.

Les difficultés de recyclage du plastique dans tout ce que les fabricants veulent utiliser sont une des principales raisons pour lesquelles le monde est jonché de tant de déchets plastiques, explique Eric Beckman, ingénieur chimiste à l'Université de Pittsburgh. Rien qu'en 2018, les États-Unis ont mis en décharge 27 millions de tonnes de plastique et n'en ont recyclé que 3 millions, selon l'Agence américaine de protection de l'environnement. Les faibles taux de recyclage ne sont pas seulement un problème aux États-Unis. Sur les 6,3 milliards de tonnes de plastique qui ont été jetées dans le monde, seulement 9 % environ ont été recyclées. 12 % supplémentaires ont été brûlés et près de 80 % se sont accumulés sur terre ou dans les cours d'eau.

La quantité de plastique recyclé aux États-Unis a augmenté au cours des dernières décennies, mais ces niveaux restent faibles par rapport à la quantité de plastique qui va dans les décharges.

Avec la collecte de plastique partout du sommet du mont Everest au fond de la fosse des Mariannes, il est urgent de réduire la quantité de plastique qui est jetée (SN : 1/16/21, p. 5). Certaines personnes proposent de remplacer les plastiques par des matériaux biodégradables, mais ces substituts ne sont généralement pas aussi solides ou bon marché à fabriquer que les plastiques (SN : 6/22/19, p. 18). Étant donné que, de manière réaliste, le plastique ne disparaîtra pas de sitôt, les chimistes qui comprennent les tenants et les aboutissants de tout ce plastique embêtant travaillent pour faciliter le recyclage et le transformer en un matériau de meilleure qualité qui est utile pour plus de choses.

"Il n'y aura pas une seule technologie qui apportera la réponse", déclare Ed Daniels, chef de projet principal au REMADE Institute de West Henrietta, NY, qui finance la recherche sur de nouvelles techniques de recyclage. Certains projets sont sur le point de percer dans l'industrie ; d'autres ne sont encore que des expériences de laboratoire prometteuses. Mais tous se concentrent sur la conception d'un avenir où tout plastique qui se retrouve dans le bac de recyclage peut avoir une deuxième et une troisième vie dans un nouveau produit.

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L'un des plus gros goulots d'étranglement du recyclage du plastique est que chaque matériau doit être traité séparément. "La plupart des plastiques sont comme l'huile et l'eau", explique le chimiste Geoffrey Coates de l'Université Cornell. Ils ne se mélangent tout simplement pas. Prenons par exemple un pot de lessive en polyéthylène et son bouchon en polypropylène. "Si vous les faites fondre, et que j'en fais une bouteille, et que je la presse, cela craquerait essentiellement le côté", dit Coates. "C'est fou fragile. Totalement sans valeur."

C'est pourquoi la première destination des plastiques recyclables est une installation de récupération de matériaux, où les personnes et les machines effectuent le tri. Les plastiques séparés peuvent ensuite être lavés, déchiquetés, fondus et remodelés. Le système fonctionne bien pour les articles simples comme les bouteilles de soda et les cruches à lait. Mais pas pour des articles comme les contenants de déodorant – où la bouteille, la manivelle et le capuchon peuvent tous être faits de différents types de plastique. Les films d'emballage alimentaire qui contiennent plusieurs couches de plastiques différents sont particulièrement délicats à démonter. Chaque année, 100 millions de tonnes de ces films multicouches sont produits dans le monde. Une fois jetés, ces plastiques vont dans des décharges, explique l'ingénieur chimiste George Huber de l'Université du Wisconsin-Madison.

Pour résoudre ce problème, Huber et ses collègues ont conçu une stratégie pour traiter les mélanges complexes de plastiques. Le processus utilise une série de solvants liquides pour dissoudre les composants plastiques individuels d'un produit. L'astuce consiste à choisir les bons solvants pour dissoudre un seul type de plastique à la fois, explique Huber.

L'équipe a testé la technique sur un film d'emballage contenant du polyéthylène et du PET, ainsi qu'une barrière à l'oxygène en plastique à base d'éthylène-alcool vinylique, ou EVOH, qui conserve la fraîcheur des aliments.

L'agitation du film dans un solvant toluène a d'abord dissous la couche de polyéthylène. Tremper le film EVOH-PET restant dans un solvant appelé DMSO a éliminé l'EVOH. Les chercheurs ont ensuite retiré le film PET restant et récupéré les deux autres plastiques de leurs solvants séparés en mélangeant des produits chimiques "antisolvants". Ces produits chimiques ont fait que les molécules de plastique dispersées dans les liquides se sont regroupées en amas solides qui pouvaient être repêchés.

Ce processus a récupéré pratiquement tout le plastique du film original, ont rapporté les chercheurs en novembre dernier dans Science Advances. Lorsqu'ils ont été testés sur un mélange de billes de polyéthylène, de PET et d'EVOH, les lavages au solvant ont récupéré plus de 95 % de chaque matériau, ce qui laisse entendre que ces solvants pourraient être utilisés pour enlever les composants en plastique des articles plus volumineux que les films d'emballage. Ainsi, en théorie, les centres de récupération pourraient utiliser cette technique pour démonter les contenants de déodorants multiplastiques et d'autres produits de formes et de tailles variées.

Huber et ses collègues prévoient ensuite de rechercher des solvants pour dissoudre davantage de types de plastique, tels que le polystyrène dans le polystyrène. Mais il faudra beaucoup plus de travail pour rendre cette stratégie efficace pour trier toutes les combinaisons complexes de plastique dans les matières recyclables du monde réel.

De nombreux produits en plastique sont étiquetés avec un numéro à l'intérieur d'un triangle qui symbolise le recyclage. Pourtant, seuls les plastiques avec 1 (polyéthylène téréphtalate) ou 2 (polyéthylène haute densité) sont largement recyclés aux États-Unis. Le reste va généralement à la décharge.

ANIMAL DE COMPAGNIEBouteilles d'eau et de boissons gazeuses, dômes à salade, plateaux à biscuits, vinaigrettes et contenants de beurre d'arachide

PEHDBouteilles de lait et de jus, sacs de congélation, bouteilles de shampoing et détergent

PVCContenants cosmétiques, film alimentaire commercial

PEBDBouteilles souples, film plastique, sacs poubelles

polypropylènePlats à micro-ondes, bacs à crème glacée, contenants de yaourt, capsules de détergent

PSBoîtiers CD, gobelets jetables en plastique, couverts en plastique, boîtiers vidéo

PSEGobelets boissons chaudes en polystyrène expansé, barquettes alimentaires à emporter, emballages de protection pour objets fragiles

AutreBouteilles pour refroidisseurs d'eau, films souples, emballages multimatériaux

Il peut également exister des raccourcis chimiques permettant de recycler tels quels les films multicouches et autres mélanges de plastiques. Des additifs appelés agents de compatibilité aident à mélanger différents plastiques fondus, de sorte que les matériaux non triés peuvent être traités comme un seul. Mais il n'existe pas de compatibilisant universel permettant de mélanger tous les types de plastique. Et les compatibilisants existants ne sont pas largement utilisés car ils ne sont pas très puissants - et ajouter beaucoup de compatibilisant à un mélange de plastique coûte cher.

Pour stimuler la viabilité, Coates et ses collègues ont créé un compatibilisant très puissant pour le polyéthylène et le polypropylène. Ensemble, ces deux plastiques représentent plus de la moitié du plastique mondial. La nouvelle molécule compatibilisant contient deux segments de polyéthylène, entrecoupés de deux segments de polypropylène. Ces segments alternés s'accrochent à des molécules de plastique de même nature dans un mélange, réunissant polyéthylène et polypropylène. C'est comme si le polyéthylène était fait de Legos et le polypropylène était fait de Duplos, et les chercheurs ont fabriqué un bloc de construction spécial avec des connecteurs qui s'adaptent aux deux types de blocs.

Le fait d'avoir deux connecteurs en polyéthylène et deux en polypropylène pour chaque molécule de compatibilisant, plutôt qu'un, a rendu ce compatibilisant plus fort que les versions précédentes, ont rapporté Coates et ses collègues en 2017 dans Science. Le premier test du nouveau compatibilisant consistait à souder ensemble des bandes de polyéthylène et de polypropylène. Habituellement, les deux matériaux se décollent facilement. Mais avec une couche de compatibilisant entre elles, les bandes de plastique se sont cassées, plutôt que le sceau de compatibilisant, lorsqu'elles ont été séparées.

Dans un deuxième test, les chercheurs ont mélangé le compatibilisant dans un mélange fondu de polyéthylène et de polypropylène. Il n'a fallu que 1 % de compatibilisant pour créer un nouveau plastique résistant.

"Ce sont des additifs puissants et fous", déclare Coates. D'autres agents de compatibilité ont dû être ajoutés à des concentrations allant jusqu'à 10 % pour maintenir ces deux plastiques ensemble. Le nouveau compatibilisant est désormais à la base de la start-up de Coates, Intermix Performance Materials, basée à Ithaca, NY

Même si chaque déchet en plastique pouvait être facilement recyclé, cela ne résoudrait toujours pas le problème mondial du plastique. Il existe quelques problèmes majeurs liés au fonctionnement actuel du recyclage qui limitent considérablement la facilité d'utilisation des matériaux recyclés.

D'une part, les plastiques recyclés héritent de tous les colorants, retardateurs de flamme et autres additifs qui ont donné à chaque pièce en plastique d'origine son aspect et son toucher distinctifs. "Le plastique que vous récupérez à la fin de tout cela est vraiment un mélange très complexe", explique la chimiste Susannah Scott de l'Université de Californie à Santa Barbara. Peu de fabricants peuvent utiliser du plastique avec un méli-mélo aléatoire de propriétés pour créer quelque chose de nouveau.

De plus, le recyclage rompt certaines des liaisons chimiques dans les molécules de plastique, affectant la résistance et la consistance du matériau. Faire fondre et remouler du plastique, c'est un peu comme réchauffer une pizza au micro-ondes - vous obtenez essentiellement ce que vous mettez, mais pas aussi bien. Cela limite le nombre de fois que le plastique peut être recyclé avant d'être mis en décharge.

La solution aux deux problèmes pourrait résider dans un nouveau type de processus de recyclage, appelé recyclage chimique, qui promet de fabriquer du plastique neuf pur un nombre infini de fois. Le recyclage chimique consiste à démonter les plastiques au niveau moléculaire.

Les molécules qui composent les plastiques sont appelées polymères, qui sont constitués de plus petits monomères. En utilisant la chaleur et les produits chimiques, il est possible de désassembler les polymères en monomères, de séparer ces blocs de construction des colorants et autres contaminants, et de reconstituer les monomères en un plastique comme neuf.

"Le recyclage chimique a vraiment commencé à émerger en tant que force, je dirais, au cours des trois ou quatre dernières années", déclare Beckman de l'Université de Pittsburgh. Mais la plupart des techniques de recyclage chimique sont trop coûteuses ou trop énergivores pour un usage commercial. "Ce n'est pas prêt pour les heures de grande écoute", dit-il.

Différents plastiques nécessitent différents processus de recyclage chimique, et certains se décomposent plus facilement que d'autres. "Celui qui est le plus avancé est le PET", déclare Beckman. "Ce polymère se trouve être facile à démonter." Plusieurs entreprises développent des méthodes pour recycler chimiquement le PET, dont la société française Carbios.

Carbios teste des enzymes produites par des micro-organismes pour dégrader le PET. Les chercheurs de la société ont décrit leur travail sur une de ces enzymes en avril dernier dans Nature. Les microbes utilisent normalement l'enzyme, appelée cutinase de compost de branche de feuille, pour décomposer le revêtement cireux sur les feuilles des plantes. Mais la cutinase est également efficace pour décomposer le PET en ses monomères : éthylène glycol et acide téréphtalique.

Une enzyme naturellement produite par les microbes a décomposé environ 50 % du polyéthylène téréphtalate, ou PET (ligne bleue). Une version modifiée de l'enzyme a détruit plus de 80 % du plastique (ligne pointillée noire). L'augmentation de la quantité d'enzyme de 1 milligramme par gramme de PET à 3 milligrammes l'a rendu encore plus efficace - décomposant environ 90% du PET.

"L'enzyme est comme un ciseau moléculaire", explique Alain Marty, directeur scientifique de Carbios. Mais parce qu'il a évolué pour décomposer la matière végétale, pas le plastique, ce n'est pas parfait. Pour rendre l'enzyme plus apte à séparer le PET, "nous avons repensé ce que nous appelons le site actif de l'enzyme", explique Marty. Cela impliquait d'échanger certains des acides aminés le long de ce site d'amarrage PET pour d'autres.

Lorsque les chercheurs ont testé leur enzyme mutante sur des flocons de plastique colorés provenant de bouteilles en PET, en appliquant 3 milligrammes d'enzyme par gramme de PET, environ 90 % du plastique s'est décomposé en 10 heures environ. L'enzyme d'origine avait atteint son maximum d'environ 50 %. En utilisant les monomères d'acide téréphtalique produits au cours de ce processus, les chercheurs ont fabriqué de nouvelles bouteilles en plastique tout aussi résistantes que les originales.

Carbios construit actuellement une usine près de Lyon, en France, pour commencer le recyclage chimique du PET plus tard cette année.

Mais d'autres plastiques, comme le polyéthylène et le polypropylène, sont beaucoup plus difficiles à décomposer par recyclage chimique. Le démontage des molécules de polyéthylène, par exemple, nécessite des températures supérieures à 400° Celsius. À une température aussi élevée, la chimie est chaotique. Les molécules de plastique se décomposent de manière aléatoire, générant un mélange complexe de composés qui peuvent être brûlés comme combustible mais non utilisés pour fabriquer de nouveaux matériaux.

Scott, le chimiste de l'UC Santa Barbara, propose de décomposer partiellement ces plastiques robustes de manière plus contrôlée, dans des conditions plus douces, pour fabriquer d'autres types de molécules utiles. Elle et ses collègues ont récemment trouvé un moyen de transformer le polyéthylène en composés alkylaromatiques, qui peuvent être utilisés comme ingrédients biodégradables dans les shampooings, détergents et autres produits. Le procédé consiste à placer du polyéthylène dans une chambre de réaction réglée à 280°C, avec une poudre de catalyseur contenant des nanoparticules de platine.

Le polyéthylène est une longue molécule, dans laquelle les atomes d'hydrogène sont connectés à un squelette de carbone qui peut être long de milliers d'atomes de carbone. Le platine est bon pour rompre les liaisons carbone-hydrogène, dit Scott. "Lorsque vous faites cela, vous générez de l'hydrogène dans le réacteur, et le catalyseur au platine peut utiliser l'hydrogène pour rompre les liaisons carbone-carbone [dans le squelette de la molécule]. Ainsi, il coupe en fait la chaîne en plus petits morceaux."

Étant donné que cette réaction a lieu à une température relativement douce de 280 ° C, elle se produit de manière ordonnée, cassant de longues molécules de polyéthylène en chaînes plus courtes d'environ 30 carbones chacune. Ces fragments s'arrangent ensuite dans les structures cycliques à six côtés caractéristiques des composés alkylaromatiques.

Après 24 heures dans la chambre de réaction, "la plupart des produits sont des liquides, et la plupart des liquides sont des alkylaromatiques", explique Scott. Dans des expériences, environ 69% du plastique dans un sac en polyéthylène basse densité a été converti en liquide. Environ 55 % d'un bouchon de bouteille en polyéthylène haute densité a été transformé. Le processus produit également des gaz d'hydrocarbures, qui pourraient être utilisés pour générer de la chaleur afin de faire fonctionner la réaction dans une usine de recyclage, explique Scott.

Pour l'instant, il ne s'agit que d'une démonstration en laboratoire et, comme de nombreuses nouvelles stratégies de recyclage, la commercialisation est encore loin. Et aucune mise à niveau unique du pipeline de recyclage ne débarrassera le monde de ses montagnes croissantes de déchets plastiques. "Nous allons avoir besoin d'une suite de technologies pour relever ce défi", déclare Daniels, de l'Institut REMADE. Mais chaque nouvelle technologie, qu'elle vise à faciliter le recyclage des plastiques ou à les transformer en matériaux plus utiles, pourrait être utile.

Les plastiques produits aujourd'hui n'ont jamais été conçus pour être utilisés plus d'une fois. C'est pourquoi le recyclage des plastiques - en particulier dans des matériaux comme neufs - est si difficile. Mais les chercheurs retournent à la planche à dessin pour se demander : « À quoi ressemble la prochaine génération de matériaux ? Comment concevez-vous un matériau spécifiquement pour qu'il n'aille jamais dans une décharge ? dit Eric Beckman, ingénieur chimiste à l'Université de Pittsburgh. "Les chimistes cherchent à savoir si vous pouvez concevoir un polymère qui se désagrège sur commande."

Le développement d'une classe de polymères de nouvelle génération, appelés PDK, pour les poly(dicétoénamines), a été rapporté dans Nature Chemistry en 2019. "Les PDK ont la capacité de rompre leurs liaisons dans des conditions relativement douces - certainement avec une intensité énergétique beaucoup plus faible que n'importe lequel des plastiques actuellement utilisés aujourd'hui", déclare le co-auteur de l'étude Brett Helms, chimiste au Lawrence Berkeley National Laboratory en Californie. Il suffit de tremper le plastique dans une solution acide avec un pH de 1 ou 2 pour rompre les liaisons entre ses blocs de construction monomères.

"Les matériaux ne rencontrent généralement pas un pH aussi bas, donc ce n'est pas comme si vous mettez des PDK dans du vinaigre, le polymère va commencer à se décomposer", explique Helms. Mais cela pourrait faciliter le recyclage. Les monomères PDK peuvent ensuite être utilisés pour fabriquer du nouveau plastique vierge, encore et encore.

Les plastiques répandus comme le polyéthylène téréphtalate, ou PET, et le polyéthylène sont si bon marché à fabriquer que tout polymère de rupture aurait du mal à entrer sur le marché, dit Beckman. Donc, pour l'instant, le plastique intrinsèquement recyclable n'est qu'une curiosité académique. Mais peut-être que dans des décennies, les plastiques conçus pour être recyclables dès le départ contribueront à résoudre le problème mondial des déchets plastiques. -Maria Temming

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Une version de cet article paraît dans le numéro du 30 janvier 2021 de Science News.

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Auparavant rédactrice pour les sciences physiques chez Science News, Maria Temming est rédactrice en chef adjointe chez Science News Explores. Elle est titulaire d'un baccalauréat en physique et en anglais et d'une maîtrise en rédaction scientifique.

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