Le plastique écologique révolutionnaire est presque prêt à être commercialisé – Technoguide

Les plastiques font partie de presque tous les produits que nous utilisons quotidiennement. La personne moyenne aux États-Unis produit environ 100 kg de déchets plastiques par an, dont la plupart vont directement à la décharge. Une équipe dirigée par Corinne Scown, Brett Helms, Jay Keasling et Kristin Persson du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a entrepris de changer cela.

Il y a moins de deux ans, Helms a annoncé l’invention d’un nouveau plastique qui pourrait s’attaquer de front à la crise des déchets. Appelé poly (dicétoénamine), ou PDK, le matériau possède toutes les propriétés pratiques des plastiques traditionnels tout en évitant les écueils environnementaux, car contrairement aux plastiques traditionnels, les PDK peuvent être recyclés indéfiniment sans perte de qualité.

Maintenant, l’équipe a publié une étude qui montre ce qui peut être accompli si les fabricants ont commencé à utiliser les PDK à grande échelle. La ligne du bas? Le plastique à base de PDK pourrait rapidement devenir commercialement compétitif par rapport aux plastiques conventionnels, et les produits deviendront moins chers et plus durables avec le temps.

«Les plastiques n’ont jamais été conçus pour être recyclés. La nécessité de le faire a été reconnue longtemps après», a expliqué Nemi Vora, premier auteur du rapport et ancien stagiaire postdoctoral qui a travaillé avec l’auteure principale Corinne Scown. «Mais la promotion de la durabilité est au cœur de ce projet. Les PDK ont été conçus pour être recyclés dès le départ, et depuis le début, l’équipe a travaillé pour affiner les processus de production et de recyclage pour PDK afin que le matériau puisse être bon marché et assez facile pour être déployé à des échelles commerciales dans tout, des emballages aux voitures. “

L’étude présente une simulation pour une installation de 20 000 tonnes par an qui produit de nouveaux PDK et récupère les déchets de PDK usagés à des fins de recyclage. Les auteurs ont calculé les intrants chimiques et la technologie nécessaires, ainsi que les coûts et les émissions de gaz à effet de serre, puis ont comparé leurs résultats aux chiffres équivalents pour la production de plastiques conventionnels.

“Ces jours-ci, il y a une énorme pression pour adopter des pratiques d’économie circulaire dans l’industrie. Tout le monde essaie de recycler tout ce qu’ils mettent sur le marché”, a déclaré Vora. “Nous avons commencé à discuter avec l’industrie du déploiement de plastiques 100% recyclés à l’infini et avons suscité beaucoup d’intérêt.”

«Les questions sont de savoir combien cela coûtera, quel sera l’impact sur la consommation d’énergie et les émissions, et comment y arriver à partir de là où nous en sommes aujourd’hui», a ajouté Helms, un scientifique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab. “La prochaine phase de notre collaboration consiste à répondre à ces questions.”

Vérifier les cases de bon marché et facile

À ce jour, plus de 8,3 milliards de tonnes de matière plastique ont été produites, et la grande majorité de celles-ci s’est retrouvée dans des décharges ou des usines d’incinération de déchets. Une petite partie des plastiques est envoyée pour être recyclée «mécaniquement», ce qui signifie qu’ils sont fondus puis remodelés en nouveaux produits. Cependant, cette technique présente des avantages limités. La résine plastique elle-même est composée de nombreuses molécules identiques (appelées monomères) liées entre elles en de longues chaînes (appelées polymères). Pourtant, pour donner au plastique ses nombreuses textures, couleurs et capacités, des additifs tels que des pigments, des stabilisants thermiques et des retardateurs de flamme sont ajoutés à la résine. Lorsque de nombreux plastiques sont fondus ensemble, les polymères se mélangent à une multitude d’additifs potentiellement incompatibles, ce qui donne un nouveau matériau de qualité bien inférieure à celle de la résine vierge nouvellement produite à partir de matières premières. En tant que tel, moins de 10% du plastique est recyclé mécaniquement plus d’une fois, et le plastique recyclé contient généralement également de la résine vierge pour compenser la baisse de qualité.

Les plastiques PDK évitent complètement ce problème – les polymères de résine sont conçus pour se décomposer facilement en monomères individuels lorsqu’ils sont mélangés avec un acide. Les monomères peuvent ensuite être séparés de tout additif et rassemblés pour fabriquer de nouveaux plastiques sans aucune perte de qualité. Les recherches antérieures de l’équipe montrent que ce processus de «recyclage chimique» est léger sur les émissions d’énergie et de dioxyde de carbone, et il peut être répété indéfiniment, créant un cycle de vie des matériaux complètement circulaire où il existe actuellement un aller simple pour les déchets.

Pourtant, malgré ces propriétés incroyables, pour vraiment battre les plastiques à leur propre jeu, les PDK doivent également être pratiques. Le recyclage du plastique traditionnel à base de pétrole peut être difficile, mais fabriquer du nouveau plastique est très facile.

«Nous parlons de matériaux qui ne sont fondamentalement pas recyclés», a déclaré Scown. “Donc, en termes d’attrait pour les fabricants, les PDK ne sont pas en concurrence avec le plastique recyclé – ils doivent concurrencer la résine vierge. Et nous avons été très heureux de voir à quel point il sera bon marché et efficace de recycler le matériau.”

Scown, qui est membre du personnel scientifique des domaines des technologies énergétiques et des biosciences de Berkeley Lab, se spécialise dans la modélisation des futurs impacts environnementaux et financiers des technologies émergentes. Scown et son équipe travaillent sur le projet PDK depuis le début, aidant le groupe de chimistes et de scientifiques de fabrication de Helms à choisir les matières premières, les solvants, les équipements et les techniques qui mèneront au produit le plus abordable et le plus écologique.

“Nous prenons la technologie de stade précoce et concevons ce à quoi elle ressemblerait dans des opérations à l’échelle commerciale” en utilisant différents intrants et technologies, a-t-elle déclaré. Ce processus de modélisation collaboratif unique permet aux scientifiques de Berkeley Lab d’identifier les défis potentiels de mise à l’échelle et d’apporter des améliorations aux processus sans cycles coûteux d’essais et d’erreurs.

Le rapport de l’équipe, publié dans Science Advances, modélise un pipeline de production et de recyclage de PDK à l’échelle commerciale en fonction de l’état actuel de développement du plastique. «Et les principaux points à retenir étaient que, une fois que vous avez produit le PDK au départ et que vous l’avez dans le système, le coût et les émissions de gaz à effet de serre associés à la poursuite du recyclage en monomères et à la fabrication de nouveaux produits pourraient être inférieurs à , ou au moins à égalité avec de nombreux polymères conventionnels », a déclaré Scown.

Planification du lancement

Grâce à l’optimisation de la modélisation des processus, les PDK recyclés suscitent déjà l’intérêt des entreprises qui ont besoin de s’approvisionner en plastique. Toujours tournés vers l’avenir, Helms et ses collègues mènent des études de marché et rencontrent des gens de l’industrie depuis les débuts du projet. Leurs démarches montrent que la meilleure application initiale des PDK sont les marchés où le fabricant recevra son produit à la fin de sa durée de vie, tels que l’industrie automobile (via les échanges et les reprises) et l’électronique grand public (via les déchets électroniques). programmes). Ces entreprises pourront alors profiter des avantages des PDK 100% recyclables dans leur produit: une image de marque durable et des économies à long terme.

“Avec les PDK, les gens de l’industrie ont désormais le choix”, a déclaré Helms. «Nous faisons appel à des partenaires qui intègrent la circularité dans leurs gammes de produits et leurs capacités de fabrication, et leur offrons une option conforme aux meilleures pratiques futures.

Scown a ajouté: “Nous savons qu’il y a un intérêt à ce niveau. Certains pays prévoient de facturer des frais élevés sur les produits en plastique qui reposent sur des matériaux non recyclés. forte demande de plastiques recyclés. “

Après avoir infiltré le marché des produits durables comme les voitures et l’électronique, l’équipe espère étendre les PDK à des produits à usage unique et à plus courte durée de vie tels que les emballages.

Un avenir en cercle complet

Alors qu’ils élaborent des plans pour un lancement commercial, les scientifiques poursuivent également leur collaboration technico-économique sur le processus de production du PDK. Bien que le coût du PDK recyclé soit déjà prévu pour être compétitif, les scientifiques travaillent sur des améliorations supplémentaires pour réduire le coût du PDK vierge, afin que les entreprises ne soient pas découragées par le prix d’investissement initial.

Et fidèles à leur forme, les scientifiques travaillent deux pas en avant en même temps. Scown, qui est également vice-président pour le cycle de vie, l’économie et l’agronomie au Joint BioEnergy Institute (JBEI), et Helms collaborent avec Jay Keasling, un biologiste synthétique de premier plan à Berkeley Lab et UC Berkeley et PDG de JBEI, pour concevoir un procédé de production de polymères PDK à l’aide d’ingrédients précurseurs fabriqués à partir de microbes. Le procédé utilise actuellement des produits chimiques industriels, mais a été initialement conçu en pensant aux microbes de Keasling, grâce à un séminaire interdisciplinaire fortuit.

«Peu de temps avant que nous commencions le projet PDK, j’étais dans un séminaire où Jay décrivait toutes les molécules qu’ils pouvaient fabriquer au JBEI avec leurs microbes modifiés», a déclaré Helms. «Et j’ai été très excité parce que j’ai vu que certaines de ces molécules étaient des choses que nous mettions dans des PDK. Jay et moi avons eu quelques discussions et nous avons réalisé que presque tout le polymère pouvait être fabriqué à partir de matière végétale fermentée par des microbes modifiés.

<< À l'avenir, nous allons introduire cette composante biologique, ce qui signifie que nous pouvons commencer à comprendre les impacts de la transition des matières premières conventionnelles vers des matières premières biosourcées uniques et éventuellement avantageuses qui pourraient être plus durables à long terme sur la base de l’énergie, le carbone ou l’intensité de la production et du recyclage en eau », a poursuivi M. Helms. "Donc, là où nous en sommes maintenant, c'est la première étape de beaucoup, et je pense que nous avons une très longue piste devant nous, ce qui est passionnant."

La fonderie moléculaire est une installation utilisateur du Bureau des sciences du Département de l’énergie (DOE) spécialisée dans la science à l’échelle nanométrique. JBEI est un centre de recherche sur la bioénergie financé par le bureau des sciences du DOE.

Ce travail a été soutenu par le Bureau des technologies de la bioénergie du DOE et le programme de recherche et développement dirigés en laboratoire (LDRD) du Berkeley Lab.

La technologie PDK est disponible pour les licences et la collaboration.

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