Recycler le plastique, un carbone à la fois

Une équipe de scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab)et l'UC Berkeley ont mis au point une nouvelle technique pour recycler les sacs en plastique polyéthylène et les emballages alimentaires en gaz propylène ou propène, un matériau de départ précieux pour les plastiques commerciaux et les produits chimiques de base.

Le recyclage du plastique polyéthylène en nouveaux plastiques recyclables pourrait contribuer à réduire les émissions de carbone liées à la pollution plastique et à la mise en décharge.

"Le monde produit plus de 200 milliards de livres de polyéthylène", a déclaré le scientifique John Hartwig, auteur principal de l'étude Science rapportant la nouvelle technique. « Nous dépendons des polyéthylènes. Ils présentent de grands avantages pour une vaste gamme d’applications allant des tuyaux et matériaux de construction à la conservation des aliments. Les déchets de ces plastiques pourraient être une source de carbone, mais ces matériaux sont très difficiles à recycler. Notre travail résout ce problème en proposant une nouvelle stratégie de recyclage des polyéthylènes pour fabriquer des produits chimiques que nous obtenons habituellement de sources fossiles.

Hartwig est chercheur principal à la division des sciences chimiques du Berkeley Lab et professeur de chimie à l'UC Berkeley. Il est également responsable du programme de catalyse et de transformations chimiques au Berkeley Lab.

Le polyéthylène est une chaîne polymère de molécules ou monomères comprenant deux atomes de carbone et quatre atomes d'hydrogène : C2H4. Depuis de nombreuses années, les chercheurs souhaitent trouver un moyen de recycler chimiquement le polyéthylène en récupérant les monomères pour fabriquer de nouveaux polymères de polyéthylène comme alternative à une technique de recyclage appelée pyrolyse, qui brise les chaînes du polyéthylène à très haute température pour obtenir un mélange de chaînes. . Le problème de la pyrolyse est qu'il est difficile de séparer les produits ayant une longueur de chaîne spécifique que vous souhaiteriez pour un usage spécifique (comme pour les lubrifiants ou comme précurseurs de carburants) des produits trop courts ou trop longs pour être utilisés.

Ainsi, pour recycler chimiquement le polyéthylène, vous devez rompre ses liaisons chimiques. Le polyéthylène est maintenu ensemble par des liaisons carbone-carbone inhabituellement peu réactives et très difficiles à rompre, mais, selon Hartwig, « nous avons trouvé un moyen d'utiliser une série de catalyseurs pour cliver de manière très sélective ces liaisons dans le polyéthylène afin de fabriquer du propylène, une matière première. chimique."

Dans une expérience clé, Hartwig et son équipe ont dissous des échantillons de polyéthylène haute densité (HDPE) (le plastique des couvercles des récipients, des pots à lait et des bouteilles de shampoing) avec de l'éthylène gazeux et un catalyseur dans un solvant dans un récipient sous pression. Ces conditions, prédisaient les chercheurs, forceraient l’hydrogène à partir de certaines unités monomères. Et une telle perte d’hydrogène, pensaient-ils, permettrait à son tour une série de réactions entre le polymère déshydrogéné et l’éthylène en présence de catalyseurs supplémentaires pour produire du propylène.

À la surprise des chercheurs, même si l'hydrogène n'a été éliminé que de 1,9 % des unités monomères, 87 % des atomes de carbone d'une chaîne polymère HDPE ont réagi avec l'éthylène et sont devenus du propylène en seulement 18 heures. Cela signifie que tous les autres monomères d’une chaîne de 1 000 unités monomères se sont transformés en gaz propylène – en d’autres termes, « il ne restait plus de polymère », a déclaré Hartwig. "J'ai été assez choqué que cela ait si bien fonctionné."

Des expériences menées à la fonderie moléculaire du laboratoire de Berkeley ont confirmé que les modifications du poids moléculaire du matériau au cours des réactions se produisaient comme prévu.

Hartwig a déclaré que même si la technique n'est pas encore prête à être déployée à l'échelle industrielle, leurs découvertes ont des implications importantes pour le recyclage du plastique polyéthylène en matières premières carbonées pour les nouveaux plastiques, les lubrifiants industriels, les carburéacteurs et les produits chimiques de base.

Lors d'expériences futures, lui et son équipe prévoient d'améliorer la viabilité commerciale de la technique avec des catalyseurs recyclables. Ils aimeraient également utiliser ces travaux pour jeter les bases de la conception de nouveaux types de plastiques chimiquement recyclables.

Ce travail a été soutenu par le Bureau des sciences du DOE.