Des chercheurs ont développé un réacteur à énergie solaire pour décomposer des formes de déchets plastiques difficiles à recycler – telles que les bouteilles de boisson, les textiles en nylon et les mousses de polyuréthane – en utilisant de l’acide récupéré à partir de vieilles batteries de voiture, et en le convertissant en hydrogène propre et en produits chimiques industriels de valeur.
Le réacteur, développé par des chercheurs de l’Université de Cambridge, est alimenté par l’énergie du soleil, et pourrait constituer une alternative moins coûteuse et plus durable aux méthodes de recyclage chimique actuelles. L’équipe affirme que sa méthode pourrait créer un système circulaire où un flux de déchets en résoudrait un autre. Leurs résultats sont rapportés dans la revue Joule.
La production mondiale de plastique dépasse 400 millions de tonnes par an, mais seulement 18 % sont recyclés. Le reste est incinéré, mis en décharge ou fuit dans les écosystèmes. Les chercheurs déclarent que leur méthode, connue sous le nom de photoreformage à l’acide solaire, pourrait faire partie de la solution à la montagne mondiale de déchets plastiques.
Les chercheurs ont conçu un photocatalyseur suffisamment robuste pour résister aux effets hautement corrosifs de l’acide, tout en utilisant de manière productive l’acide contenu dans les batteries de voiture usagées, qui est normalement neutralisé et jeté.
« La découverte a été presque accidentelle », explique le professeur Erwin Reisner du département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge, qui a dirigé la recherche. « Nous pensions que l’acide était complètement exclu dans ces systèmes à énergie solaire, car il dissoudrait simplement tout. Mais notre catalyseur développé ne l’a pas fait – et soudain, un tout nouveau monde de réactions s’est ouvert. »
« Les acides sont utilisés depuis longtemps pour décomposer les plastiques, mais nous n’avions jamais eu de photocatalyseur bon marché et évolutif qui puisse leur résister », affirme le premier auteur Kay Kwarteng, doctorant dans le groupe de recherche de Reisner, qui a développé le photocatalyseur. « Une fois ce problème résolu, les avantages de ce type de système sont devenus évidents. »
La méthode développée par Kwarteng, Reisner et leurs collègues traite d’abord les déchets plastiques avec l’acide de déchet de batterie de voiture, cassant les longues chaînes polymères en blocs de construction chimiques tels que l’éthylène glycol, que le photocatalyseur convertit ensuite en hydrogène et en acide acétique (l’ingrédient principal du vinaigre) lorsqu’il est exposé à la lumière du soleil.
Dans les tests en laboratoire, le réacteur a généré des rendements élevés en hydrogène et a produit de l’acide acétique avec une grande sélectivité. Il a également fonctionné pendant plus de 260 heures sans aucune perte de performance.
L’approche fonctionne pour plusieurs types de déchets plastiques, même ceux qui sont actuellement difficiles à recycler, comme le nylon et le polyuréthane. Cela représente une avancée réelle par rapport aux technologies actuelles de surcyclage qui ne couvrent pas les plastiques au-delà du PET.
L’approche fonctionne non seulement avec de l’acide neuf de qualité laboratoire, mais aussi avec l’acide récupéré des batteries de voiture. Ces batteries contiennent entre 20 et 40 % d’acide en volume et sont remplacées en grand nombre chaque année dans le monde. Le plomb de ces batteries est généralement extrait pour être revendu, mais l’acide crée des déchets supplémentaires une fois qu’il est neutralisé en toute sécurité.
« C’est une ressource inexploitée », souligne Kwarteng. « Si nous pouvons collecter l’acide avant qu’il ne soit neutralisé, nous pouvons l’utiliser encore et encore pour décomposer les plastiques : c’est une véritable situation gagnant-gagnant, évitant le coût environnemental de la neutralisation de l’acide, tout en le mettant à contribution pour générer de l’hydrogène propre. »
Les chercheurs déclarent que leur méthode offre une réduction potentielle des coûts d’un ordre de grandeur par rapport à d’autres approches de photoreformage, en grande partie parce que l’acide permet d’augmenter les taux de production d’hydrogène et peut être réutilisé plutôt que consommé ou gaspillé.
Kwarteng explique que bien que des défis subsistent – comme s’assurer que les réacteurs peuvent résister à des conditions corrosives – la chimie fondamentale est solide. « Ces acides sont déjà manipulés en toute sécurité dans l’industrie », dit-il. « La question est maintenant d’ingénierie : comment construisons-nous des réacteurs qui peuvent fonctionner en continu et traiter les déchets du monde réel ? »
Les chercheurs affirment que leur approche ne remplacera pas le recyclage conventionnel, mais qu’elle pourrait le compléter en traitant les plastiques contaminés ou mélangés qui n’ont actuellement aucune voie viable de réutilisation.
« Nous ne promettons pas de résoudre le problème mondial des plastiques », déclare Reisner. « Mais cela montre comment les déchets peuvent devenir une ressource. Le fait que nous puissions créer de la valeur à partir de déchets plastiques en utilisant la lumière du soleil et de l’acide de batterie jeté rend ce processus vraiment prometteur. »
L’équipe prévoit de commercialiser ce processus avec le soutien de Cambridge Enterprise, le bras innovation de l’Université, et avec un compte d’accélération de l’impact du UKRI. La recherche a été soutenue en partie par le Cambridge Trust, la Royal Academy of Engineering, le Leverhulme Trust, l’Isaac Newton Trust et l’Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), partie de UK Research and Innovation (UKRI). Erwin Reisner est membre du St John’s College de Cambridge. Kay Kwarteng est membre du Churchill College de Cambridge.
Article : Solar Reforming of Plastics using Acid-catalyzed Depolymerization – Journal : Joule – DOI : Lien vers l’étude
