De nombreuses personnes connaissent les images obsédantes de la faune sauvage, notamment des tortues de mer, des dauphins et des phoques, empêtrées dans des filets de pêche abandonnés.
Le principal problème du nylon 6, le plastique contenu dans ces filets, tapis et vêtements, est qu'il est trop solide et durable pour se décomposer tout seul. Ainsi, une fois dans l'environnement, il persiste pendant des milliers d'années, jonchant les cours d'eau, brisant les coraux et étranglant les oiseaux et la vie marine.
Aujourd'hui, les chimistes de l'Université Northwestern ont développé un nouveau catalyseur qui décompose rapidement, proprement et complètement le nylon-6 en quelques minutes, sans générer de sous-produits nocifs. Mieux encore :le processus ne nécessite pas de solvants toxiques, de matériaux coûteux ou de conditions extrêmes, ce qui le rend pratique pour les applications quotidiennes.
Non seulement ce nouveau catalyseur pourrait jouer un rôle important dans l'assainissement de l'environnement, mais il pourrait également constituer la première étape du recyclage des déchets de nylon-6 en produits de plus grande valeur.
La recherche a été publiée jeudi 30 novembre dans la revue Chem .
"Le monde entier est conscient du problème du plastique", a déclaré Tobin Marks de Northwestern, auteur principal de l'étude. "Le plastique fait partie de notre société; nous en utilisons une grande quantité. Mais le problème est le suivant :que faisons-nous lorsque nous en avons fini avec cela ? Idéalement, nous ne le brûlerions pas ni ne le mettrions dans des décharges. Nous le recyclerions. Nous développons des catalyseurs qui déconstruisent ces polymères, leur redonnant leur forme originale, afin qu'ils puissent être réutilisés."
Marks est professeur de chimie Charles E. et Emma H. Morrison et professeur Vladimir N. Ipatieff de chimie catalytique au Weinberg College of Arts and Sciences de Northwestern et professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de Northwestern.
Il est également professeur affilié à l'Institut Paula M. Trienens pour le développement durable et l'énergie. Les co-auteurs de Northwestern incluent Linda J. Broadbelt, professeure Sarah Rebecca Roland de génie chimique et biologique et doyenne associée principale de McCormick, et Yosi Kratish, professeur adjoint de recherche dans le groupe de Marks.
Une difficulté mortelle
Des vêtements aux tapis en passant par les ceintures de sécurité, le nylon-6 se retrouve dans une variété de matériaux que la plupart des gens utilisent quotidiennement. Mais lorsque les gens en ont fini avec ces matériaux, ils finissent dans les décharges ou pire :en vrac dans l’environnement, y compris dans l’océan. Selon la Fédération mondiale de la nature, jusqu'à 1 million de livres d'engins de pêche sont abandonnés dans l'océan chaque année, les filets de pêche composés de nylon-6 représentant au moins 46 % de la masse de déchets du Grand Pacifique.
"Les filets de pêche perdent en qualité après quelques années d'utilisation", a déclaré Liwei Ye, premier auteur principal de l'article et chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Marks. "Ils deviennent tellement gorgés d'eau qu'il est difficile de les sortir de l'océan. Et ils sont si bon marché à remplacer que les gens les laissent simplement dans l'eau et en achètent de nouveaux."
"Il y a beaucoup de déchets dans l'océan", a ajouté Marks. "Le carton et les déchets alimentaires se biodégradent. Les métaux coulent au fond. Il ne nous reste alors que les plastiques."
Les méthodes actuelles pour éliminer le Nylon-6 se limitent simplement à l’enfouir dans des décharges. Lorsque le nylon-6 est brûlé, il émet des polluants toxiques tels que des oxydes d'azote, qui sont liés à diverses complications de santé, notamment une mort prématurée, ou du dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre notoirement puissant.
Bien que d'autres laboratoires aient exploré des catalyseurs pour dégrader le nylon-6, ces catalyseurs nécessitent des conditions extrêmes (telles que des températures pouvant atteindre 350° Celsius), de la vapeur à haute pression (qui est coûteuse en énergie et inefficace) et/ou des solvants toxiques qui ne font que contribuer à plus de pollution.
"Vous pouvez dissoudre les plastiques dans l'acide, mais vous vous retrouvez alors avec de l'eau sale", a déclaré Marks. "Que faites-vous avec ça ? L'objectif est toujours d'utiliser un solvant vert. Et quel type de solvant est plus vert que pas de solvant du tout ?"
Récupérer des éléments de base pour l'upcycling
Pour contourner ces problèmes, les chercheurs se sont tournés vers un nouveau catalyseur déjà développé dans le laboratoire de Marks. Le catalyseur exploite l’yttrium (un métal peu coûteux et abondant sur Terre) et les ions lanthanides. Lorsque l'équipe a chauffé des échantillons de nylon-6 à des températures de fusion et appliqué le catalyseur sans solvant, le plastique s'est effondré et a retrouvé ses éléments constitutifs d'origine sans laisser de sous-produits derrière lui.
"Vous pouvez imaginer un polymère comme un collier ou un collier de perles", a expliqué Marks. "Dans cette analogie, chaque perle est un monomère. Ces monomères sont les éléments constitutifs. Nous avons conçu un moyen de briser le collier mais de récupérer ces perles."
Lors d'expériences, Marks et son équipe ont pu récupérer 99 % des monomères d'origine des plastiques. En principe, ces monomères pourraient ensuite être recyclés en produits de plus grande valeur, qui sont actuellement très demandés pour leur résistance et leur durabilité.
"Le nylon recyclé vaut en réalité plus d'argent que le nylon ordinaire", a déclaré Marks. "De nombreuses marques de mode haut de gamme utilisent du nylon recyclé dans leurs vêtements."
En plus de récupérer un rendement élevé en monomères, le catalyseur est hautement sélectif :il n'agit que sur les polymères Nylon-6 sans perturber les matériaux environnants. Cela signifie que l'industrie pourrait appliquer le catalyseur à de grands volumes de déchets non triés et cibler sélectivement le nylon-6.
"Si vous ne disposez pas d'un catalyseur sélectif, comment séparer le nylon du reste des déchets ?" dit Marks. "Il faudrait embaucher des humains pour trier tous les déchets afin d'éliminer le nylon. C'est extrêmement coûteux et inefficace. Mais si le catalyseur ne fait que dégrader le nylon et laisse tout le reste derrière lui, c'est incroyablement efficace."
Le recyclage de ces monomères évite également d'avoir à produire davantage de plastiques à partir de zéro.
"Ces monomères sont produits à partir de pétrole brut, ils ont donc une énorme empreinte carbone", a déclaré Ye. "Ce n'est tout simplement pas durable."
Après avoir déposé un brevet pour le nouveau procédé, Marks et son équipe ont déjà suscité l'intérêt de partenaires industriels potentiels. Ils espèrent que d'autres pourront utiliser leurs catalyseurs à grande échelle pour aider à résoudre le problème mondial du plastique.
"Notre recherche représente une avancée significative dans le domaine du recyclage des polymères et de la gestion durable des matériaux", a déclaré Ye. "Cette approche innovante comble une lacune critique des technologies de recyclage actuelles, offrant une solution pratique et efficace au problème des déchets de nylon. Nous pensons qu'elle a des implications pour réduire l'empreinte environnementale des plastiques et contribuer à une économie circulaire."
Plus d'informations : Conception de catalyseur métal-ligand pour une dépolymérisation rapide, sélective et sans solvant des plastiques nylon-6, chimiques (2023). DOI :10.1016/j.chempr.2023.10.022. www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(23)00548-X
Informations sur le journal : Chimie
Fourni par l'Université Northwestern
