Les plastiques en polyéthylène, en particulier les sacs en plastique omniprésents qui gâchent 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.

Mais un nouveau procédé développé à l'Université de Californie à Berkeley et au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) pourrait changer tout cela. Le processus utilise des catalyseurs pour briser les longs polymères de polyéthylène (PE) en morceaux uniformes (la molécule de propylène à trois carbones) qui sont les matières premières pour fabriquer d'autres types de plastique de grande valeur, comme le polypropylène.

Le processus, certes dans les premiers stades de développement, transformerait un déchet - non seulement des sacs et emballages en plastique, mais tous les types de bouteilles en plastique PE - en un produit majeur très demandé. Les méthodes précédentes pour briser les chaînes du polyéthylène nécessitaient des températures élevées et donnaient des mélanges de composants beaucoup moins demandés. Le nouveau procédé pourrait non seulement réduire le besoin de production de combustible fossile de propylène, souvent appelé propène, mais également aider à répondre à un besoin actuellement non satisfait par l'industrie des plastiques pour plus de propylène.

"Dans la mesure où ils sont recyclés, de nombreux plastiques en polyéthylène sont transformés en matériaux de qualité inférieure. Vous ne pouvez pas prendre un sac en plastique et en faire un autre sac en plastique avec les mêmes propriétés", a déclaré John Hartwig, de l'UC Berkeley. Chaire Henry Rapoport en chimie organique. "Mais si vous pouvez ramener ce sac en polymère à ses monomères, le décomposer en petits morceaux et le repolymériser, alors au lieu d'extraire plus de carbone du sol, vous l'utilisez comme source de carbone pour fabriquer d'autres choses, par exemple, polypropylène. Nous utiliserions moins de gaz de schiste à cette fin, ou pour les autres utilisations du propène, et pour combler le soi-disant vide de propylène."

Les plastiques en polyéthylène 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 - seulement 14 % environ 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 se dépolymériser. La majeure partie du recyclage consiste donc à le faire fondre et à le mouler en d'autres produits, comme des meubles de jardin, ou à le brûler comme combustible.

Dépolymériser le polyéthylène et le transformer en propylène est un moyen de surcyclage, c'est-à-dire de produire des produits de plus grande valeur à partir de déchets essentiellement à valeur 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 des chaînes d'hydrocarbures, dont la plupart sont à base de pétrole. De nouveaux groupes chimiques peuvent ensuite être ajoutés à ces liaisons réactives pour former de nouveaux matériaux. Le polyéthylène hydrocarbure, qui se présente généralement sous la forme d'une chaîne polymère d'environ 1 000 molécules d'éthylène (chaque éthylène est composé de deux atomes de carbone et de quatre atomes d'hydrogène), a posé un défi à son équipe en raison de sa non-réactivité générale.

Grâce à une subvention du Département 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, avec des catalyseurs platine-étain et platine-zinc - pour créer une double liaison réactive carbone-carbone, qui servirait de talon d'Achille. Avec cette faille dans l'armure des liaisons carbone-hydrogène du polymère, ils pourraient alors démêler la chaîne polymère par réaction avec l'éthylène et deux catalyseurs supplémentaires qui réagissent en coopération.

"Nous prenons un hydrocarbure saturé - toutes les liaisons simples carbone-carbone - et 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 avaient regardé cela processus, mais personne ne l'avait atteint sur un vrai polymère », a déclaré Hartwig. "Une fois que vous avez cette double liaison carbone-carbone, vous utilisez une réaction appelée métathèse d'oléfine, qui a fait l'objet d'un prix Nobel en 2005, avec de l'éthylène pour cliver 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 la fin."

L'ajout d'un deuxième catalyseur, composé 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 la fin, notre catalyseur prend cette double liaison carbone-carbone et l'isomérise, un carbone dedans. L'éthylène réagit avec ce produit isomérisé initial pour fabriquer du propylène et un produit presque identique, juste plus court, polymère avec une double liaison à l'extrémité. Et puis il fait la même chose encore et encore. Il entre d'un pas, clive ; entre, clive ; entre et clive jusqu'à ce que tout le polymère soit coupé en trois atomes de carbone morceaux. À partir d'une extrémité de la chaîne, il ne fait que ronger la chaîne et recracher des propylènes jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de chaîne."

Les réactions ont été conduites 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 arriver au même résultat, puisque les catalyseurs solides peuvent être réutilisés plus facilement.

Le groupe a démontré que le processus fonctionne avec une variété de plastiques PE, y compris des bouteilles de lait translucides, des bouteilles de shampoing opaques, des emballages en PE et les bouchons en plastique noir dur qui relient les boîtes en aluminium à quatre packs. Tous ont été efficacement réduits en propylène, seuls les colorants devant être éliminés.

Le laboratoire de Hartwig a également récemment utilisé une catalyse innovante pour créer un processus qui transforme les sacs en polyéthylène en adhésifs, un autre produit précieux. Ensemble, ces nouveaux processus pourraient faire une brèche dans les piles de plastique proliférantes 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 transformerait la plus grande quantité de déchets plastiques en une énorme matière première chimique, avec beaucoup plus de développement, bien sûr."

Les autres co-auteurs de l'article sont Jake Shi, Nicodemo Ciccia, Liang Qi, Brandon Bloomer, Steffen Heuvel, Tyler Wills et le professeur de génie chimique et biomoléculaire Alexis Bell de l'UC Berkeley et Ji Yang et le chercheur Ji Su du Berkeley Lab. + Explorer plus loin

Un nouveau procédé catalytique transforme les sacs plastiques en adhésifs