Un procédé permet de transformer les sacs en polyéthylène et les plastiques en blocs de construction en polymère
Les catalyseurs désassemblent le polymère tout en ajoutant de l'éthylène, ce qui produit du propylène, élément constitutif du polypropylène.
Les Plastiques en polyéthylène - en particulier le sac en plastique omniprésent qui souille le paysage - sont notoirement difficiles à recycler. Ils sont robustes et difficiles à décomposer, et s'ils sont recyclés, ils sont fondus en un ragoût de polymère utile principalement pour les terrasses et autres produits de faible valeur.
Les chimistes de l'UC Berkeley ont mis au point un nouveau procédé, appelé éthénolyse isomérisante, pour dégrader les plastiques en polyéthylène, tels que la bouteille de lait représentée à l'arrière-plan, en propylène - l'élément constitutif d'un autre plastique, le polypropylène. Dans le graphique, les chaînes de polyéthylène (longs fils en forme de toile représentés au niveau moléculaire par les figures en forme de boule et de bâton) sont d'abord séparées par un catalyseur métallique (boules vertes) en présence d'éthylène (en haut à gauche) dans une réaction connue sous le nom de "métathèse des oléfines". Une molécule de propène est libérée à la suite de ce processus. La chaîne polymère plus courte qui en résulte (à droite) comporte une double liaison carbone-carbone à son extrémité. Un autre catalyseur (boule bleue) déclenche un cycle d'"isomérisation des oléfines", au cours duquel la double liaison à l'extrémité de la chaîne polymère est déplacée d'un atome de carbone vers l'intérieur. La chaîne polymère isomérisée est alors prête à subir d'autres cycles de métathèse et d'isomérisation jusqu'à ce qu'elle ait été entièrement transformée en propylène.
Brandon Bloomer, UC Berkeley
Mais un nouveau procédé mis au point à l'université de Californie, à Berkeley, et au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) pourrait changer tout cela. Ce procédé utilise des catalyseurs pour décomposer les longs polymères de polyéthylène (PE) en morceaux uniformes - la molécule de propylène à trois atomes de carbone - qui servent de matière première pour la fabrication d'autres types de plastique de grande valeur, comme le polypropylène.
Ce procédé, qui n'en est certes qu'à ses débuts, transformerait un déchet - non seulement les sacs et emballages en plastique, mais aussi tous les types de bouteilles en plastique PE - en un produit majeur très demandé. Les méthodes précédentes pour briser les chaînes de polyéthylène nécessitaient des températures élevées et donnaient des mélanges de composants dont la demande était beaucoup plus faible. Le nouveau procédé pourrait non seulement réduire la nécessité de produire du propylène, souvent appelé propène, à partir de combustibles fossiles, mais aussi contribuer à répondre à un besoin actuellement non satisfait de l'industrie plastique en matière de propylène.
"Dans la mesure où ils sont recyclés, beaucoup de plastiques polyéthylène sont transformés en matériaux de qualité inférieure. Vous ne pouvez pas prendre un sac en plastique et en fabriquer un autre avec les mêmes propriétés", a déclaré John Hartwig, titulaire de la chaire Henry Rapoport de chimie organique de l'UC Berkeley. "Mais si vous pouvez ramener ce sac en polymère à ses monomères, le décomposer en petits morceaux et le repolymériser, au lieu d'extraire davantage de carbone du sol, vous l'utilisez comme source de carbone pour fabriquer d'autres produits, par exemple du polypropylène. Nous utiliserions moins de gaz de schiste à cette fin, ou pour les autres utilisations du propène, et pour combler ce qu'on appelle le déficit en propylène."
Les plastiques polyéthylènes représentent environ un tiers de l'ensemble du marché mondial des plastiques, avec plus de 100 millions de tonnes produites chaque année à partir de combustibles fossiles, y compris le gaz naturel obtenu par fracturation hydraulique, souvent appelé gaz de schiste.
Malgré les programmes de recyclage - les produits en PE recyclables sont désignés par les numéros de plastique 2 et 4 - seuls environ 14 % de tous les produits en plastique polyéthylène sont recyclés. En raison de leur stabilité, les polymères de polyéthylène sont difficiles à décomposer en leurs composants, ou à dépolymériser, de sorte que la plupart du recyclage consiste à les faire fondre et à les mouler en d'autres produits, comme des meubles de jardin, ou à les brûler comme combustible.
Dépolymériser le polyéthylène et le transformer en propylène est une façon de faire du recyclage ascendant, c'est-à-dire de produire des produits de plus grande valeur à partir de déchets de valeur essentiellement nulle, tout en réduisant l'utilisation de combustibles fossiles.
Hartwig et ses collègues publieront les détails de leur nouveau procédé catalytique cette semaine dans la revue Science.
Deux types de catalyseurs
Hartwig se spécialise dans l'utilisation de catalyseurs métalliques pour insérer des liaisons inhabituelles et réactives dans les chaînes d'hydrocarbures, dont la plupart sont issues du pétrole. De nouveaux groupes chimiques peuvent ensuite être ajoutés à ces liaisons réactives pour former de nouveaux matériaux. L'hydrocarbure polyéthylène, qui se présente généralement sous la forme d'une chaîne polymère de quelque 1 000 molécules d'éthylène (chaque éthylène est composé de deux atomes de carbone et de quatre atomes d'hydrogène), a constitué un défi pour son équipe en raison de sa non-réactivité générale.
Grâce à une subvention du ministère américain de l'énergie pour étudier de nouvelles réactions catalytiques, Hartwig et les étudiants diplômés Steven Hanna et Richard J. "RJ" Conk ont eu l'idée de rompre deux liaisons carbone-hydrogène sur le polyéthylène avec un catalyseur - initialement un catalyseur à l'iridium et, plus tard, des catalyseurs au platine-étain et au platine-zinc - pour créer une double liaison carbone-carbone réactive, qui servirait de talon d'Achille. Grâce à cette faille dans l'armure des liaisons carbone-hydrogène du polymère, ils ont pu défaire la chaîne polymère par réaction avec de l'éthylène et deux autres catalyseurs qui réagissent en coopération.
"Nous prenons un hydrocarbure saturé - toutes les liaisons simples carbone-carbone - et nous retirons quelques molécules d'hydrogène du polymère pour créer des doubles liaisons carbone-carbone, qui sont plus réactives que les liaisons simples carbone-carbone. Quelques personnes s'étaient penchées sur ce processus, mais personne ne l'avait réalisé sur un véritable polymère", a déclaré Hartwig. "Une fois que vous avez obtenu cette double liaison carbone-carbone, vous utilisez une réaction appelée métathèse des oléfines, qui a fait l'objet d'un prix Nobel en 2005, avec de l'éthylène pour couper la double liaison carbone-carbone. Maintenant, vous avez pris ce polymère à longue chaîne, et vous l'avez cassé en plus petits morceaux qui contiennent une double liaison carbone-carbone à l'extrémité."
L'ajout d'un second catalyseur, à base de palladium, a permis de couper à plusieurs reprises les molécules de propylène (molécules à trois carbones) de l'extrémité réactive. Résultat : 80% du polyéthylène a été réduit en propylène.
"Une fois que nous avons une longue chaîne avec une double liaison carbone-carbone à l'extrémité, notre catalyseur prend cette double liaison carbone-carbone et l'isomérise, un carbone en moins. L'éthylène réagit avec ce produit isomérisé initial pour produire du propylène et un polymère presque identique, mais plus court, avec une double liaison à l'extrémité. Et ensuite il fait la même chose encore et encore. Il avance d'un pas, clive, avance, clive, avance et clive jusqu'à ce que le polymère entier soit coupé en morceaux de trois carbones. À partir d'une extrémité de la chaîne, elle ne fait que mâcher la chaîne et cracher des propylènes jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de chaîne."
Les réactions ont été menées dans une solution liquide avec des catalyseurs solubles, ou "homogènes". Les chercheurs travaillent actuellement sur un procédé utilisant des catalyseurs non solubles, ou "hétérogènes", pour obtenir le même résultat, car les catalyseurs solides peuvent être réutilisés plus facilement.
Le groupe a démontré que le procédé fonctionne avec une variété de plastiques PE, y compris des bouteilles de lait translucides, des bouteilles de shampoing opaques, des emballages PE et les couvercles en plastique noir dur qui relient les packs de quatre canettes en aluminium. Tous ont été efficacement réduits en propylène, seuls les agents colorants devant être éliminés.
Le laboratoire de M. Hartwig a également utilisé récemment une catalyse innovante pour créer un processus qui transforme les sacs en polyéthylène en adhésifs, un autre produit de valeur. Ensemble, ces nouveaux procédés pourraient contribuer à réduire la prolifération des piles de plastique qui finissent dans les décharges, les rivières et, finalement, les océans.
"Les deux sont loin d'être commercialisés", a-t-il déclaré. "Mais il est facile de voir comment ce nouveau procédé pourrait convertir la plus grande quantité de déchets plastiques en une énorme matière première chimique - avec beaucoup de développement supplémentaire, bien sûr."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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