Les plastiques font partie de presque tous les produits que nous utilisons quotidiennement. La personne moyenne aux États-Unis génère environ 100 kg de déchets plastiques par an, dont la plupart vont directement dans une décharge. Une équipe dirigée par Corinne Scown, Brett Helms, Jay Keasling, et Kristin Persson du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) ont décidé de changer cela.

Il y a moins de deux ans, Helms a annoncé l'invention d'un nouveau plastique qui pourrait s'attaquer de front à la crise des déchets. Appelé poly(dicétoénamine), ou PDK, le matériau a toutes les propriétés pratiques des plastiques traditionnels tout en évitant les pièges environnementaux, car contrairement aux plastiques traditionnels, Les PDK peuvent être recyclés indéfiniment sans perte de qualité.

Maintenant, l'équipe a publié une étude qui montre ce qui peut être accompli si les fabricants commencent à utiliser les PDK à grande échelle. La ligne de fond? Le plastique à base de PDK pourrait rapidement devenir commercialement compétitif par rapport aux plastiques conventionnels, et les produits deviendront moins chers et plus durables avec le temps.

« Les plastiques n'ont jamais été conçus pour être recyclés. La nécessité de le faire a été reconnue bien après, " a expliqué Nemi Vora, premier auteur du rapport et ancien stagiaire postdoctoral qui a travaillé avec l'auteur principal Corinne Scown. « Mais la durabilité est au cœur de ce projet. Les PDK ont été conçus pour être recyclés dès le départ, et depuis le début, l'équipe s'est efforcée d'affiner les processus de production et de recyclage du PDK afin que le matériau soit peu coûteux et suffisamment facile pour être déployé à des échelles commerciales dans n'importe quoi, des emballages aux voitures."

L'étude présente une simulation pour un 20, Installation de 000 tonnes métriques par an qui sort de nouveaux PDK et récupère les déchets PDK usagés pour recyclage. Les auteurs ont calculé les intrants chimiques et la technologie nécessaires, ainsi que les coûts et les émissions de gaz à effet de serre, puis ont comparé leurs résultats aux chiffres équivalents pour la production de plastiques conventionnels.

"Ces jours, il y a une énorme pression pour l'adoption de pratiques d'économie circulaire dans l'industrie. Tout le monde essaie de recycler tout ce qu'il met sur le marché, ", a déclaré Vora. "Nous avons commencé à discuter avec l'industrie du déploiement de 100% de plastiques recyclés à l'infini et nous avons suscité beaucoup d'intérêt."

"Les questions sont combien cela va coûter, quel sera l'impact sur la consommation d'énergie et les émissions, et comment y arriver d'où nous sommes aujourd'hui, " ajouta Helms, membre du personnel scientifique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab. "La prochaine phase de notre collaboration est de répondre à ces questions."

Cocher les cases de pas cher et facile

À ce jour, plus de 8,3 milliards de tonnes de matière plastique ont été produites, et la grande majorité de ces déchets a fini dans des décharges ou des usines d'incinération de déchets. Une petite partie des plastiques est envoyée pour être recyclée « mécaniquement, " ce qui signifie qu'ils sont fondus puis remodelés en de nouveaux produits. Cependant, cette technique a un avantage limité. La résine plastique elle-même est constituée de nombreuses molécules identiques (appelées monomères) liées entre elles en de longues chaînes (appelées polymères). Pourtant, pour donner au plastique ses multiples textures, couleurs, et capacités, des additifs comme des pigments, stabilisateurs thermiques, et des retardateurs de flamme sont ajoutés à la résine. Lorsque de nombreux plastiques sont fondus ensemble, les polymères se mélangent avec une multitude d'additifs potentiellement incompatibles, résultant en un nouveau matériau de qualité bien inférieure à la résine vierge nouvellement produite à partir de matières premières. En tant que tel, moins de 10 % du plastique est recyclé mécaniquement plus d'une fois, et le plastique recyclé contient généralement aussi de la résine vierge pour compenser la baisse de qualité.

Les plastiques PDK évitent entièrement ce problème :les polymères de résine sont conçus pour se décomposer facilement en monomères individuels lorsqu'ils sont mélangés avec un acide. Les monomères peuvent ensuite être séparés de tout additif et rassemblés pour fabriquer de nouveaux plastiques sans aucune perte de qualité. Les recherches antérieures de l'équipe montrent que ce processus de « recyclage chimique » est léger sur les émissions d'énergie et de dioxyde de carbone, et il peut être répété indéfiniment, créer un cycle de vie des matériaux complètement circulaire où il y a actuellement un aller simple à gaspiller.

Pourtant, malgré ces propriétés incroyables, battre vraiment les plastiques à leur propre jeu, Les PDK doivent également être pratiques. Le recyclage du plastique traditionnel à base de pétrole peut être difficile, mais faire du nouveau plastique est très facile.

"Nous parlons de matériaux qui ne sont fondamentalement pas recyclés, " dit Scown. " Alors, en termes d'attrait pour les fabricants, Les PDK ne sont pas en concurrence avec le plastique recyclé, ils doivent rivaliser avec la résine vierge. Et nous étions vraiment ravis de voir à quel point il serait bon marché et efficace de recycler le matériau."

mépriser, qui est membre du personnel scientifique dans les domaines des technologies énergétiques et des biosciences du Berkeley Lab, se spécialise dans la modélisation des impacts environnementaux et financiers futurs des technologies émergentes. Scown et son équipe travaillent sur le projet PDK depuis le début, aider le groupe de chimistes et de scientifiques de la fabrication de Helms à choisir les matières premières, solvants, équipement, et des techniques qui conduiront au produit le plus abordable et le plus écologique.

« Nous utilisons une technologie à un stade précoce et concevons à quoi cela ressemblerait dans des opérations à l'échelle commerciale » en utilisant différents intrants et technologies, elle a dit. Cet unique, Le processus de modélisation collaborative permet aux scientifiques de Berkeley Lab d'identifier les défis potentiels de mise à l'échelle et d'apporter des améliorations aux processus sans cycles coûteux d'essais et d'erreurs.

Le rapport de l'équipe, Publié dans Avancées scientifiques , modélise un pipeline de production et de recyclage de PDK à l'échelle commerciale basé sur l'état actuel de développement du plastique. "Et les principaux points à retenir étaient que, une fois que vous avez initialement produit le PDK et que vous l'avez dans le système, le coût et les émissions de gaz à effet de serre associés à la poursuite du recyclage en monomères et à la fabrication de nouveaux produits pourraient être inférieurs à, ou au moins à égalité avec, de nombreux polymères conventionnels, " a déclaré Scown.

Planification de lancement

Grâce à l'optimisation issue de la modélisation des processus, Les PDK recyclés suscitent déjà l'intérêt des entreprises qui ont besoin de s'approvisionner en plastique. Toujours tourné vers l'avenir, Helms et ses collègues ont mené des études de marché et rencontré des gens de l'industrie depuis les premiers jours du projet. Leurs démarches montrent que la meilleure application initiale pour les PDK sont les marchés où le fabricant récupérera son produit à la fin de sa durée de vie, tels que l'industrie automobile (par le biais d'échanges et de reprises) et de l'électronique grand public (par le biais de programmes de déchets électroniques). Ces entreprises pourront alors profiter des avantages des PDK 100 % recyclables dans leur produit :une image de marque durable et des économies à long terme.

"Avec les PDK, maintenant les gens de l'industrie ont le choix, " a déclaré Helms. " Nous faisons appel à des partenaires qui intègrent la circularité dans leurs gammes de produits et leurs capacités de fabrication, et en leur offrant une option conforme aux futures meilleures pratiques."

Scown a ajouté :« Nous savons qu'il y a un intérêt à ce niveau. Certains pays ont l'intention de facturer des frais élevés sur les produits en plastique qui reposent sur des matériaux non recyclés. Ce changement fournira une forte incitation financière à s'éloigner de l'utilisation de résines vierges et devrait conduire beaucoup de demande pour les plastiques recyclés."

Après avoir infiltré le marché des produits durables comme les voitures et l'électronique, l'équipe espère étendre les PDK à des PDK à durée de vie plus courte, biens à usage unique tels que les emballages.

Un avenir en boucle

Alors qu'ils élaborent des plans pour un lancement commercial, les scientifiques poursuivent également leur collaboration technico-économique sur le processus de production du PDK. Même si le coût du PDK recyclé devrait déjà être compétitif, les scientifiques travaillent sur des améliorations supplémentaires pour réduire le coût du PDK vierge, afin que les entreprises ne soient pas découragées par le prix d'investissement initial.

Et fidèle à la forme, les scientifiques travaillent deux pas en avant en même temps. mépriser, qui est également vice-président pour le cycle de vie, Economie &Agronomie au Joint BioEnergy Institute (JBEI), et Helms collaborent avec Jay Keasling, un biologiste synthétique de premier plan au Berkeley Lab et à l'UC Berkeley et PDG de JBEI, concevoir un procédé de production de polymères PDK à partir d'ingrédients précurseurs fabriqués par des microbes. Le procédé utilise actuellement des produits chimiques industriels, mais a été initialement conçu avec les microbes de Keasling à l'esprit, grâce à un séminaire interdisciplinaire fortuit.

"Peu de temps avant de démarrer le projet PDK, I was in a seminar where Jay was describing all the molecules that they could make at JBEI with their engineered microbes, " said Helms. "And I got very excited because I saw that some of those molecules were things that we put in PDKs. Jay and I had a few chats and, we realized that nearly the entire polymer could be made using plant material fermented by engineered microbes."

"À l'avenir, we're going to bring in that biological component, meaning that we can begin to understand the impacts of transitioning from conventional feedstocks to unique and possibly advantaged bio-based feedstocks that might be more sustainable long term on the basis of energy, carbone, or water intensity of production and recycling, " Helms continued. "So, where we are now, this is the first step of many, and I think we have a really long runway in front of us, which is exciting."