La plupart des déchets plastiques sont contaminés – notre nouvelle technologie de recyclage « nano » embrasse cette réalité désordonnée

Une bouteille de boisson en plastique est l’un des objets les plus « recyclables » du flux de déchets moderne. Il est léger et collecté en volumes énormes. Pourtant, même pour cet article, la réalité du recyclage est compliquée : les étiquettes, les encres, les bouchons, les résidus alimentaires, les colorants et parfois le mauvais plastique sont tous regroupés. La chimie est peut-être simple, mais les déchets ne le sont pas.

Mon équipe développe une nouvelle façon de traiter les déchets plastiques contaminés. Au lieu de supposer un tri parfait, nous partons de la réalité selon laquelle les flux de déchets sont mélangés, incohérents et souvent sales – et concevons une chimie qui peut tolérer cela.

En utilisant des catalyseurs à base de nanomatériaux, nous conduisons la dépolymérisation, un processus qui décompose les plastiques en leurs éléments de base moléculaires. En ajustant la réaction, il devient possible de cibler sélectivement des plastiques spécifiques, même dans des flux mélangés ou impurs. L’objectif est un processus conçu pour des déchets réels et non pour des conditions de laboratoire.

Ce travail est important car l’ampleur du problème est vaste. À l’échelle mondiale, seulement 9 % environ des déchets plastiques sont recyclés après prise en compte des pertes et des résidus. Une grande partie du reste est envoyée en décharge, brûlée ou s'échappe dans l'environnement.

Le recyclage peut sembler trompeusement réussi lorsque vous ne suivez que ce qui est collecté.

Le polyéthylène téréphtalate (PET) est le polymère unique – matériau moléculaire – utilisé dans de nombreuses bouteilles. En Europe, la collecte de bouteilles de boissons en PET a atteint environ les trois quarts ces dernières années. Mais la collecte n’est qu’un début. Ce qui se passe ensuite détermine si le plastique circule réellement ou s’il sort silencieusement du système.

Aujourd’hui, la plupart du PET est recyclé mécaniquement : le plastique est trié, lavé, fondu et remoulé. Cela fonctionne bien pour les matériaux propres et incolores, mais il est sensible à la contamination et aux additifs. Une petite quantité du mauvais polymère peut affaiblir un lot. Les colorants et les stabilisants peuvent persister. Chaque cycle de chauffage peut réduire légèrement les performances. Au fil du temps, le matériau s’éloigne de la qualité requise pour les emballages de qualité alimentaire et est souvent recyclé en produits de moindre valeur.

C'est pourquoi le recyclage chimique attire l'attention. Au lieu de fondre les plastiques pour leur donner de nouvelles formes, l’objectif est de redéposer le polymère en petites molécules qui peuvent être purifiées et réutilisées, le ramenant ainsi à ses éléments de base chimiques.

Des études récentes sur le recyclage chimique mettent en évidence à la fois les promesses et les défis techniques, en particulier lorsque les flux de déchets sont mélangés. La difficulté n’est pas de prouver que les plastiques peuvent être décomposés en laboratoire. Cela permet à cette chimie de fonctionner de manière fiable avec des déchets du monde réel.

Les nanomatériaux sont fabriqués à une très petite échelle – des milliers de fois plus fine qu’un cheveu humain – ce qui leur confère une grande surface réactive. Cette surface peut être réglée pour encourager des réactions chimiques spécifiques tout en en décourageant d’autres, rendant la dépolymérisation plus rapide et plus contrôlable. Des recherches plus vastes sur la dépolymérisation catalytique mettent en évidence la manière dont les matériaux avancés peuvent contribuer à rendre ces processus plus pratiques à grande échelle.

Accepter les imperfections

La tolérance à la contamination façonne l’économie du recyclage. Des études sur la gestion des déchets montrent que les plastiques mélangés ou contaminés font augmenter les coûts de recyclage car ils nécessitent une séparation et un nettoyage supplémentaires. L'eau, l'énergie et le travail sont consacrés à la recherche de la pureté. Une chimie capable d’accepter des intrants plus sales pourrait se déplacer là où la valeur est créée.

Lorsque les plastiques ne peuvent pas être recyclés en nouveaux produits, ils sont souvent incinérés ou mis en décharge. Une feuille de route des Nations Unies sur la pollution plastique affirme que des approches plus circulaires pourraient réduire considérablement les déchets et les émissions. Cela nécessite de considérer le plastique non seulement comme un déchet, mais aussi comme du carbone stocké qui peut être redirigé.

Les plastiques sont souvent traités comme des déchets, mais chimiquement, ils sont concentrés en carbone et en hydrogène. Si ces molécules peuvent être réorganisées plutôt que jetées, les déchets plastiques deviennent une matière première potentielle pour la production d’hydrogène. L’hydrogène est largement considéré comme un futur carburant et matière première industrielle, mais aujourd’hui, la majeure partie de l’hydrogène est encore produite à partir de combustibles fossiles.

Selon l’Agence internationale de l’énergie, la production mondiale d’hydrogène en 2023 a émis environ 920 millions de tonnes de dioxyde de carbone. Si la demande d’hydrogène augmente pour l’industrie, les transports et le stockage d’énergie, son empreinte carbone sera importante. Certaines recherches émergentes explorent la conversion des déchets plastiques en gaz riche en hydrogène à l’aide de catalyseurs pour guider la décomposition des longues molécules de plastique. En contrôlant soigneusement les conditions de réaction, le procédé peut favoriser la production d’hydrogène plutôt que de sous-produits indésirables.

De cette manière, les déchets plastiques ne constituent plus un simple défi de recyclage, mais deviennent une matière première potentielle pour des systèmes énergétiques à faibles émissions de carbone.

Le test pratique de chacune de ces approches est simple : continuent-elles à fonctionner lorsque les matières premières changent de jour en jour ? Une balle composée principalement de bouteilles mais comprenant des plateaux. Un lot avec trop de colorant. Un ruisseau avec des traces de papier et de colle.

La réalité industrielle est rarement bien rangée. Si cette variabilité peut être gérée dans des conditions loin d’être idéales plutôt que de devoir l’éliminer, les déchets plastiques deviennent une matière première imparfaite, mais néanmoins incroyablement utile. Dans un monde où le gaspillage est inévitable, concevoir des processus qui fonctionnent avec le désordre peut s'avérer plus important que de concevoir des processus qui fonctionnent uniquement sans le désordre.

Conor Boland, professeur adjoint de science des matériaux, Université de la ville de Dublin