Les matériaux polymères ont envahi notre quotidien car ils allient un faible coût et une grande facilité de production à des propriétés polyvalentes. Issus essentiellement de la pétrochimie, ces plastiques posent néanmoins la question de la gestion des déchets qu’ils engendrent.
Seule une faible portion de déchets plastiques est actuellement recyclée et les procédés présentent un faible intérêt économique et environnemental, nécessitant de nouvelles solutions qui s’accordent avec l’évolution des législations.
Pour répondre à cette problématique, les chimistes du Laboratoire de Chimie Moléculaire et Catalyse pour l'Énergie (LCMCE) de l'IRAMIS/NIMBE ont récemment développée un procédé de dépolymérisation de matériaux polyéthers, polyesters et polycarbonates, en utilisant des catalyseurs sans métaux fonctionnant à la température ambiante.
Les matériaux polymères sont omniprésents dans nos emballages, textiles et appareils électroménagers, mais aussi en médecine et dans l’industrie automobile. Ce succès résulte du faible coût de production des matériaux plastiques et de la possibilité d’ajuster leurs propriétés physico-chimiques par leur synthèse et mise en forme. Ainsi, la production mondiale de matières plastiques, comprenant les polyoléfines, les polyamides, les polyesters, etc…, a augmenté de 1,7 à 280 millions de tonnes au cours des 60 dernières années [1], [2] Pourtant ce segment industriel n’est pas durable car les plastiques sont issus de ressources fossiles et conduisent à l’accumulation de millions de tonnes de déchets. A titre d’exemple, l'Europe a généré 25,2 millions de tonnes de déchets plastiques en 2012, dont seulement 26% ont été recyclées, le plus souvent par des méthodes mécaniques. Face à cette situation, le Parlement européen a adopté en Janvier 2014 une résolution visant à augmenter les taux de recyclage et à réduire l'incinération et l'enfouissement de matières plastiques, afin de supprimer de manière radicale la décharge de matières plastiques en Europe en 2020 [3].
Dans ce contexte, le développement de méthodes de dépolymérisation efficaces et capables de recycler les déchets polymériques en molécules chimiques de bases, apparaît comme une stratégie prometteuse. Si plusieurs méthodes ont déjà été développées dans la littérature pour le recyclage chimique des déchets polymériques, et en particulier des polyesters et des polycarbonates, elles souffrent de conditions opératoires drastiques et présentent de faibles sélectivités envers un produit chimique donné [4]. A titre d’exemple, l’hydrolyse du PLA peut se réaliser à des températures allant de 100 à 130°C et avec une pression de vapeur entre 0,102 et 0,276 MPa pour générer l’acide lactique, des oligomères et d'autres produits solubles dans l'eau [5]. Il est à noter que l’utilisation de ces techniques dépend du type de matériau recyclé, des additifs et impuretés qu’il contient ainsi que de l’application visée des produits issus du recyclage. Par conséquent il n’existe pas de méthode universelle pour le recyclage chimique de toute sorte de matériau polymère.
Ce n’est que récemment que les premiers exemples de dépolymérisation réductrice des polyesters et des polycarbonates ont été décrits par Robertson et al. Bien que cette méthode présente l'avantage d'utiliser le dihydrogène (H2) comme agent de réduction bon marché, la réaction nécessite des températures élevées (> 120 ° C), une forte pression de H2 (> 50 bar) et l'utilisation de catalyseurs à base de métaux nobles [6].
En 2015, les chimistes du LCMCE ont mis au point un nouveau procédé de dépolymérisation sélective, en phase homogène, d'une large gamme de matériaux polymériques à travers la rupture de liaisons C–O [7] La dépolymérisation de polymères à base de polyéthers, de polyesters et de polycarbonates a pu être réalisée dans des conditions réactionnelles douces (température ambiante et pression atmosphérique) et en utilisant des catalyseurs sans métaux et des hydrosilanes stables et non-toxiques (PMHS, TMDS) comme agent de réduction. En ajustant les conditions opératoires et la nature du matériau de départ, une variété de produits chimiques fonctionnels a pu être obtenue sous une forme pure. Des matériaux comme le polyéthylène téréphtalate (PET), le poly(acide lactique) (PLA) et le polycarbonate du bisphenol A (PC-BPA) ont pu être efficacement dépolymérisés à partir de déchets du quotidien (bouteilles de soda usagées, …). Ce procédé permet de réaliser la dépolymérisation sélective de mélanges de polymères notamment le mélange PET+PLA et est compatible avec la présence de polystyrène ou de PVC. Un autre avantage pour cette méthode par rapport aux techniques de recyclage chimique existant dans la littérature, est qu’elle permet à partir de la depolymerisation de plusieurs types de déchets polymères d’accéder et d’une manière sélective à une large gamme de produits chimiques.
[1] PlasticsEurope, An analysis of European latest plastics production, demand and waste data, 2013
[2] « Our plastic age »
Hopewell, R. Dvorak, E. Kosior, Philos T Soc B, 2009, 364, 2115-2126.
[3] In European Parliament resolution of 14 January 2014 on a European strategy on plastic waste in the environment (2013/2113(INI)), 2014.
[4] « Recent Advances in the Chemical Recycling of Polymers (PP, PS, LDPE, HDPE, PVC, PC, Nylon, PMMA) »
D. S. Achilias, A. Lefteris, I. A. Koutsidis, D. A. Louka, N. P. Nianias, P. Siafaka, I. Tsagklias, G. Tsintzou, in Material Recycling – Trends and Perspectives (Ed.: D. Achilias), InTECH, 2012.
[5] « Evaluation of kinetics parameters for poly(l-lactic acid) hydrolysis under high-pressure steam »
A-F. Mohd-Adnan, H. Nishida,Y. Shirai, Polym. Degrad. Stabil., 2008, 93, 1053–1058.
[6] « Controlled hydrogenative depolymerization of polyesters and polycarbonates catalyzed by ruthenium(II) PNN pincer complexes »
E. M. Krall, T. W. Klein, R. J. Andersen, A. J. Nett, R. W. Glasgow, D. S. Reader, B. C. Dauphinais, S. P. Mc Ilrath, A. A. Fischer, M. J. Carney, D. J. Hudson, N. J. Robertson, Chem. Commun. 2014, 50, 4884-4887.
[7] « Room temperature organocatalyzed reductive depolymerization of waste polyethers, polyesters, and polycarbonates »
E. Feghali, T. Cantat, ChemSusChem, 2015, 8, 980-984. Demande de brevet CEA FR1462581, déposée le 17/12/2014.
Contact CEA/IRAMIS : Thibault Cantat – NIMBE/LCMCE.
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Ce travail fait partie du projet ERC- Starting Grant – Agreement n.336467 : « A diagonal approach to CO2 recycling to fine chemicals ». |
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