Décomposition complète du plastique PMMA en ses éléments constitutifs
Un processus étonnamment simple
Des chimistes spécialistes des polymères de l'ETH Zurich ont découvert un moyen surprenant de décomposer presque entièrement le plastique PMMA - communément appelé verre acrylique - en ses éléments constitutifs monomères. Le processus n'est pas affecté par la présence d'additifs.
Aujourd'hui, le recyclage des plastiques se limite principalement à la collecte des bouteilles de boisson en PET ou en polyéthylène triées. Le plastique collecté est de composition chimique identique, avec des molécules de polymères de longueurs similaires. Les additifs utilisés pour améliorer les propriétés telles que la couleur, la souplesse ou la résistance à la lumière du soleil sont également similaires.
Ce processus permet de fondre le plastique et de le reformer en de nouvelles bouteilles. En revanche, les plastiques de différents types et qualités (appelés plastiques mixtes) sont généralement incinérés pour produire de la chaleur dans les cimenteries, par exemple.
Une équipe de scientifiques dirigée par Athina Anastasaki du Laboratoire des matériaux polymères de l'ETH Zurich a découvert une méthode qui permet la décomposition quasi complète du verre acrylique en ses éléments constitutifs monomères. En utilisant des additifs, ces blocs de construction peuvent être facilement purifiés par distillation en produits de départ de qualité vierge pour la synthèse de nouveaux polymères de verre acrylique.
Les implications potentielles sont importantes : avec une production annuelle mondiale d'environ 3,9 millions de tonnes, le verre acrylique (connu sous le nom chimique de PMMA ou polyméthacrylate de méthyle) est un matériau acrylique durable et léger. Il gagne en popularité dans les secteurs de l'aérospatiale et de l'automobile, dans la fabrication d'écrans et de moniteurs et dans l'industrie de la construction.
Le procédé mis au point par les chercheurs de l'ETH et présenté dans la revue Science est très robuste. Il est également efficace avec de très longues chaînes de polymères composées de 10 000 blocs monomères. En outre, la présence d'additifs tels que les copolymères, les plastifiants, les colorants et la plupart des autres plastiques n'a qu'un impact minime sur la scission de la chaîne. Même en utilisant du verre acrylique multicolore provenant du marché du bricolage, le rendement reste compris entre 94 et 98 %.
Un procédé étonnamment simple
"Notre procédé est extrêmement simple", souligne Anastasaki : "Il suffit d'utiliser un solvant à base de chlore et de chauffer le mélange de recyclage dissous à une température comprise entre 90 et 150 °C pour déclencher la réaction de dépolymérisation à l'aide d'une lumière UV ou visible."
Le professeur de l'ETH a été surpris par la simplicité du processus. Comme beaucoup d'autres plastiques importants, tels que le polyéthylène ou le polypropylène, les polymères du verre acrylique sont constitués d'une chaîne polymère d'atomes de carbone avec différents groupes latéraux qui se ramifient, en fonction du type de plastique. Jusqu'à aujourd'hui, ces chaînes de carbone uniformes représentaient un défi chimique insurmontable pour la séparation ciblée en monomères, car elles n'offrent pas de points d'attaque spécifiques pour les réactions de séparation.
La seule méthode actuellement utilisée dans l'industrie pour décomposer complètement les chaînes de carbone homogènes est la pyrolyse. Il s'agit de la décomposition thermique des chaînes de carbone à environ 400 °C. Toutefois, ces réactions ne sont pas spécifiques et donnent lieu à un mélange de divers produits de clivage. La grande quantité d'énergie nécessaire à ce processus, ainsi que les coûts liés à la purification du mélange obtenu, limitent fortement l'efficacité économique de la pyrolyse.
Depuis plusieurs années, divers groupes de recherche expérimentent des polymères modifiés. Ils ont introduit des groupes moléculaires facilement détachables à l'extrémité des chaînes de polymères, qui déclenchent ensuite la déconstruction à partir de l'extrémité de la chaîne. De cette manière, les chercheurs ont obtenu des rendements allant jusqu'à plus de 90 %.
Ces polymères de synthèse présentent toutefois plusieurs inconvénients majeurs. Outre le fait qu'ils doivent d'abord être intégrés dans une production plastique établie, leurs groupes terminaux réactifs limitent considérablement la stabilité thermique des polymères et donc leurs possibilités d'utilisation. En outre, de nombreux additifs plastiques couramment utilisés réduisent le rendement des réactions, de sorte que la dépolymérisation ne fonctionne que dans une mesure limitée, même dans le cas des longues chaînes de polymères que l'on trouve souvent dans les plastiques commerciaux.
Le solvant détermine la réaction
Comme c'est souvent le cas en chimie, la nouvelle méthode a été découverte par hasard. Comme l'explique Anastasaki : "Nous recherchions en fait des catalyseurs spécifiques qui favoriseraient la décomposition ciblée en monomères. Mais une expérience de contrôle a révélé de manière surprenante que le catalyseur n'était même pas nécessaire." Le solvant chloré dans lequel l'échantillon de verre acrylique broyé a été dissous a suffi à diviser presque complètement le polymère à l'aide de la lumière UV.
Lorsque les chercheurs ont examiné de plus près la réaction de séparation, ils ont découvert un mécanisme surprenant. Ils ont découvert que la particule chimiquement active dans la réaction était un radical de chlore qui se sépare du solvant chloré lorsqu'il est excité par la lumière UV. Ce qui était inattendu, c'est que la lumière à haute longueur d'onde peut rompre la liaison du chlore avec la molécule de solvant. Cela se produit dans le cadre d'un phénomène photochimique relativement ésotérique par lequel une très petite fraction des molécules de solvant absorbe la lumière UV de grande longueur d'onde.
Anastasaki a pu compter sur l'aide de spécialistes d'autres groupes de recherche de l'ETH pour étudier le mécanisme à l'origine de la réaction de séparation. Tae-Lim Choi, du Laboratoire de chimie des polymères, a calculé les états électroniques théoriques des molécules impliquées, tandis que Gunnar Jeschke, de l'Institut des sciences physiques moléculaires, a effectué des mesures de résonance paramagnétique électronique, qui ont été utilisées pour vérifier expérimentalement les prédictions théoriques.
Le chlore doit disparaître
À l'avenir, la chercheuse de l'ETH souhaite toutefois se passer du solvant chloré dans son processus de recyclage : "Les composés chimiques chlorés nuisent à l'environnement. Notre prochain objectif est donc de modifier les réactions pour qu'elles puissent fonctionner sans solvant chloré."
On ne sait pas encore quand et comment la méthode de l'EPF sera mise en œuvre dans la pratique. Quoi qu'il en soit, Anastasaki et son équipe de chercheurs ont ouvert la voie à de nouvelles méthodes de recyclage qui peuvent être utilisées pour décomposer de manière ciblée des chaînes de carbone de matières plastiques jusqu'ici chimiquement inaccessibles.
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