Nouvelle technologie de recyclage du plastique : des déchets au carburant à moindre coût

Par Pacific Northwest National Laboratory22 août 2022

Les déchets plastiques pourraient un jour être recyclés en produits chimiques de base utiles au lieu de se retrouver dans l'environnement. Crédit : Image par Cortland Johnson | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique

Une nouvelle technologie pourrait détourner les plastiques problématiques des décharges et les convertir en sources de carburant.

Une innovation de recyclage des plastiques qui fait plus avec moins augmente simultanément la conversion en produits utiles tout en utilisant moins de ruthénium, un métal précieux. Il sera présenté aujourd'hui (22 août 2022) lors de la réunion d'automne de l'American Chemical Society à Chicago.

"La découverte clé que nous rapportons est la très faible charge en métal", a déclaré Janos Szanyi, chimiste du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), qui dirigeait l'équipe de recherche. "Cela rend le catalyseur beaucoup moins cher."

La nouvelle technique convertit plus efficacement les plastiques en produits chimiques de base précieux, un processus appelé "upcycling". De plus, il produit beaucoup moins de méthane, un gaz à effet de serre indésirable, comme sous-produit, par rapport aux autres méthodes rapportées.

"Il était très intéressant pour nous qu'il n'y ait eu aucune publication antérieure montrant ce résultat", a déclaré le chercheur postdoctoral Linxiao Chen, qui a présenté la recherche à l'ACS. "Cette recherche montre la possibilité de développer des catalyseurs efficaces, sélectifs et polyvalents pour le recyclage du plastique."

Le recyclage du plastique offre un moyen de réutiliser les déchets de carbone qui encombrent désormais les décharges et les plages. Crédit : Animation de Sara Levine | Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique

Les déchets plastiques à base de pétrole représentent une source inexploitée de produits chimiques à base de carbone qui peuvent servir de matière de départ pour des matériaux et des carburants durables utiles. Malgré un approvisionnement suffisant dans les bacs de recyclage, très peu de plastique est actuellement recyclé, principalement pour des raisons économiques et pratiques. Cependant, les chercheurs du PNNL tentent de changer la dynamique en appliquant leur expertise pour rompre efficacement les liaisons chimiques.

Il est bien connu que l'ajout d'hydrogène - une réaction connue sous le nom d'hydrogénolyse - à des plastiques difficiles à recycler comme le polypropylène et le polyéthylène présente une stratégie prometteuse pour convertir les déchets plastiques en petits hydrocarbures à valeur ajoutée. Mais ce procédé nécessite des catalyseurs efficaces et sélectifs pour le rendre économiquement réalisable.

C'est là que cette récente recherche menée par le PNNL a excellé.

L'équipe de scientifiques a découvert que la réduction de la quantité de ruthénium, un métal précieux, améliorait en fait l'efficacité et la sélectivité du recyclage du polymère. Dans une étude récemment publiée dans la revue ACS Catalysis, ils ont montré que l'amélioration de l'efficacité se produisait lorsque le faible rapport métal/structure de support faisait passer la structure d'un réseau ordonné de particules à des radeaux désordonnés d'atomes.

A track record of PNNL expertise in single-atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> les catalyseurs atomiques ont aidé l'équipe à comprendre pourquoi moins c'est plus. Les chercheurs ont observé la transition vers le désordre au niveau moléculaire, puis ont utilisé la théorie établie pour montrer que les atomes uniques sont en fait des catalyseurs plus efficaces dans ce travail expérimental.

Le travail s'appuie sur la recherche sur le piégeage d'atomes et les catalyseurs à un seul atome par Yong Wang, professeur de génie chimique à l'Université de l'État de Washington, Pullman, et membre du laboratoire PNNL.

"Il y a eu beaucoup d'efforts d'un point de vue matériel pour essayer de comprendre comment des atomes uniques ou de très petits amas peuvent faire des catalyseurs efficaces", a déclaré Gutiérrez.

Chez ACS, Chen a également décrit de nouveaux travaux qui explorent le rôle du matériel de support dans l'amélioration de l'efficacité du système.

"Nous avons étudié des matériaux de support moins chers et plus facilement disponibles pour remplacer l'oxyde de cérium", a déclaré Chen. "Nous avons découvert qu'un oxyde de titane chimiquement modifié peut permettre une voie plus efficace et sélective pour le recyclage du polypropylène."

Pour rendre la méthode pratique pour une utilisation avec des flux de recyclage de plastique mixtes, les chercheurs étudient maintenant comment la présence de chlore affecte l'efficacité de la conversion chimique.

"Nous étudions des conditions d'extraction plus exigeantes", a déclaré le chimiste Oliver Y. Gutiérrez, expert dans les applications industrielles de la catalyse. "Lorsque vous n'avez pas de source de plastique propre, dans un processus de recyclage industriel, vous avez du chlore provenant du chlorure de polyvinyle et d'autres sources. Le chlore peut contaminer la réaction de recyclage du plastique. Nous voulons comprendre l'effet du chlore sur notre système."

Maintenant, cette compréhension fondamentale peut aider à convertir les déchets plastiques qui finissent généralement par polluer l'environnement en produits utiles.

Référence : "Les structures de Ru désordonnées et sub-nanométriques sur CeO2 sont des catalyseurs hautement efficaces et sélectifs dans le recyclage des polymères par hydrogénolyse" par Linxiao Chen, Laura C. Meyer, Libor Kovarik, Debora Meira, Xavier I. Pereira-Hernandez, Honghong Shi, Konstantin Khivantsev, Oliver Y. Gutiérrez et János Szanyi, 5 avril 2022, ACS Catalysis. DOI : 10.1021/acscatal.2c00684

La recherche a été soutenue par le ministère de l'Énergie, Office of Science. Cette recherche a également utilisé les ressources de l'Advanced Photon Source, une installation utilisateur de l'Office of Science exploitée pour le DOE par le Laboratoire national d'Argonne.