Comment nous avons transformé les déchets plastiques en vinaigre : une avancée alimentée par la lumière du soleil

(MENAFN- The Conversation) Le plastique est l’un des matériaux les plus durables que les humains aient jamais fabriqués. Cette durabilité l’a rendu indispensable en médecine, pour l’emballage alimentaire et le transport. Mais elle a aussi créé l’un des problèmes environnementaux les plus marquants auxquels nous avons été confrontés.

Des centaines de millions de tonnes de plastique sont produites dans le monde chaque année. Une grande partie finit dans des décharges, des incinérateurs ou l’environnement naturel, où elle peut persister pendant des siècles.

Les méthodes que nous avons pour nous débarrasser de la pollution plastique présentent des inconvénients. Le mettre en décharges signifie que des produits chimiques et des microplastiques peuvent s’infiltrer dans l’environnement environnant.

L’incinération libère des fumées et des toxines nocives. Le recyclage mécanique dégrade souvent les plastiques en produits de valeur inférieure, tandis que le recyclage chimique nécessite généralement des températures élevées, de fortes pressions et de grandes quantités d’énergie.

Mes collègues et moi avons récemment publié une recherche qui explore une possibilité très différente : utiliser la lumière du soleil et un catalyseur à base de fer pour convertir directement des déchets plastiques courants en acide acétique - l’élément clé du vinaigre et un important produit chimique industriel.

Au lieu de traiter le plastique uniquement comme un déchet, notre recherche montre qu’il peut être transformé en quelque chose d’utile dans des conditions modérées.

Apprendre d’une moisissure qui pourrit le bois

L’inspiration pour notre recherche est venue de la nature. Le champignon responsable du bois blanc (Phanerochaete chrysosporium) est célèbre pour sa capacité à dégrader la lignine, l’un des polymères les plus coriaces présents dans le bois. Il le fait grâce à des enzymes qui génèrent des espèces chimiques hautement réactives, capables de démanteler des structures carbonées complexes.

Nous nous sommes demandé si un matériau synthétique pourrait imiter cette stratégie.

Le catalyseur que nous avons conçu est une carbonitrure de carbone dopé au fer, un semi-conducteur qui absorbe la lumière visible. Nous avons ensuite fixé des atomes de fer individuels, créant ce que les scientifiques appellent un catalyseur à atome unique.

Au lieu de former des nanoparticules, chaque atome de fer est isolé et intégré dans la structure du carbonitrure. Cette précision atomique est cruciale. Chaque atome de fer se comporte comme un site actif dans une enzyme naturelle, maximisant l’efficacité tout en conservant la stabilité.

Une réaction en deux étapes, alimentée par la lumière

Le système fonctionne grâce à une cascade de réactions entraînées par la lumière.

Sous la lumière du soleil et en présence de peroxyde d’hydrogène, les sites au fer activent le peroxyde afin de générer des radicaux hydroxyles hautement réactifs. Un radical est un atome, une molécule ou un ion qui possède au moins un électron non apparié. Cela les rend extrêmement réactifs chimiquement.

Ces radicaux attaquent les longues chaînes de carbone qui composent les plastiques, comme le polyéthylène (utilisé dans les sacs en plastique), le polypropylène (contenants alimentaires), le PET (bouteilles de boisson) et même le PVC (tuyaux et emballages).

Les polymères sont progressivement oxydés et décomposés en molécules plus petites, jusqu’à former du dioxyde de carbone (CO2).

Au lieu de laisser ce CO2 s’échapper, le même catalyseur effectue ensuite une deuxième tâche : il utilise la lumière du soleil pour réduire le CO2 en acide acétique. Autrement dit, le carbone des déchets plastiques est d’abord oxydé puis reconstitué en une nouvelle molécule précieuse.

En substance, cette approche décompose le plastique et convertit le carbone qui en résulte en une substance chimique de type “marchandise” dans un seul système. Cela la distingue de la plupart des technologies de recyclage existantes.

Pourquoi l’acide acétique ?

L’acide acétique est surtout connu comme composant acide du vinaigre, mais c’est aussi une grande matière première industrielle. Il sert à produire des adhésifs, des revêtements, des solvants, des fibres synthétiques et des produits pharmaceutiques.

La demande mondiale se chiffre en millions de tonnes chaque année, représentant un marché de plusieurs milliards de dollars.

À l’heure actuelle, la plus grande partie de l’acide acétique est produite via des procédés exigeants en énergie appelés carbonylation du méthanol, dans lesquels le méthanol réagit avec le monoxyde de carbone à haute température.

Transformer les déchets plastiques en acide acétique offre une voie circulaire potentielle : au lieu d’extraire un nouveau carbone, nous réutilisons le carbone déjà présent dans des matériaux mis au rebut.

Dans nos expériences, le système a produit de l’acide acétique à des vitesses comparativement favorables à celles d’autres méthodes de conversion du plastique entraînées par la lumière déjà rapportées. Lorsque nous avons amélioré l’utilisation de la lumière à l’intérieur du réacteur, le taux de production a augmenté de manière substantielle.

Il est important de noter que la réaction s’est déroulée à température ambiante et sous pression atmosphérique normale. Cela contraste avec de nombreuses méthodes de recyclage chimique qui exigent de chauffer les plastiques à plusieurs centaines de degrés Celsius.

Gérer des plastiques réels

Les études en laboratoire se concentrent souvent sur des types de plastiques purs. Mais les flux de déchets réels sont mélangés et contaminés. Nous avons donc testé différents plastiques courants individuellement, ainsi que des mélanges.

Notre catalyseur a pu convertir plusieurs grands plastiques de commodité. Fait intéressant, le PVC a montré une performance particulièrement forte. Nous pensons que le chlore libéré lors de sa dégradation pourrait générer des radicaux réactifs supplémentaires, accélérant la dégradation.

Les atomes de fer sont restés dispersés au niveau atomique après des utilisations répétées, indiquant une bonne stabilité. Cela compte, car la dégradation du catalyseur ou la lixiviation du métal peuvent compromettre à la fois la performance et la sécurité environnementale.

Le système dépend bien d’un peroxyde d’hydrogène ajouté, qui est consommé pendant la réaction. Bien que le peroxyde d’hydrogène se décompose en eau et en oxygène et soit considéré comme relativement inoffensif, les travaux futurs devront traiter la manière dont il peut être fourni de façon durable à grande échelle.

Du concept à la pratique

Passer à l’échelle de tout nouveau procédé chimique présente des défis. La pénétration de la lumière, la conception du réacteur et la variabilité des matières premières issues des déchets plastiques influencent tous l’efficacité. Les additifs dans les plastiques commerciaux - tels que les stabilisants, les pigments et les plastifiants - peuvent aussi influencer les résultats de la réaction.

Pour explorer la faisabilité, nous avons mené une évaluation techno-économique préliminaire. C’est une façon d’analyser les bénéfices économiques potentiels d’un procédé industriel ou d’un produit.

Bien qu’il faille encore optimiser, notre analyse suggère que coupler le nettoyage des déchets à la production d’une substance chimique précieuse pourrait aider à compenser les coûts - particulièrement lorsque les bénéfices environnementaux sont pris en compte.

Plus largement, ce travail illustre la puissance des catalyseurs à atome unique et d’une conception inspirée du vivant. En mimant la manière dont les enzymes contrôlent la réactivité au niveau précis des centres métalliques, nous pouvons réaliser des transformations chimiques complexes dans des conditions modérées en utilisant le soleil comme source d’énergie.

Repenser le cycle de vie du plastique

Le problème de la pollution plastique ne sera pas résolu par une seule technologie. Réduire l’usage inutile du plastique, améliorer la conception des produits et renforcer les systèmes de recyclage sont tous essentiels.

Transformer les déchets plastiques en produits chimiques utiles offre une stratégie complémentaire. Cela redéfinit le plastique non seulement comme un fardeau environnemental, mais aussi comme une ressource en carbone.

Si nous parvenons à exploiter efficacement la lumière du soleil pour entraîner ces transformations à grande échelle, l’emballage jeté d’hier pourrait devenir la matière première industrielle de demain.

Le défi à présent est de traduire nos avancées en laboratoire en systèmes robustes et évolutifs. Si c’est réussi, cela marquerait une étape vers une économie plus circulaire - un monde où les déchets ne sont pas la fin de l’histoire, mais le début d’une nouvelle.

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