Utiliser l’excès de dioxyde de carbone pour valoriser les déchets plastiques Olivier Coulembier

• Il est possible de se servir du dioxyde de carbone pour transformer les déchets plastiques en nouveaux matériaux fonctionnels aux propriétés supérieures à l’aide de catalyseurs organiques.
• Les procédés de recyclage et de valorisation actuels ne sont pas optimaux, et même ceux qui ont une « empreinte carbone basse » produisent des quantités massives de dioxyde de carbone.
• On peut envisager de mettre en place un processus de recyclage à l’empreinte carbone « nulle » voire « négative » en utilisant des catalyseurs organiques dérivés du dioxyde de carbone et certains outils dont nous disposons déjà.
• En ajoutant des « points d’ancrage » aux molécules de plastique, la capacité de séquestration et de réutilisation du dioxyde de carbone pourrait être améliorée.

Dans un monde où la production de déchets plastiques et de dioxyde de carbone est excessive, le besoin de solutions innovantes à l’échelle industrielle se fait cruellement sentir. On estime que chaque minute, un million de déchets plastiques sont jetés après une utilisation moyenne de seulement 15 minutes ; environ 250 millions de tonnes de déchets plastiques sont générées chaque année dans le monde, dont seulement 30% sont recyclées. Il faut ajouter à cette triste réalité une production alarmante de dioxyde de carbone, dont nous savons qu’elle contribue au réchauffement terrestre et au changement climatique. Selon des estimations réalisées en 2021, 1 million de kilogrammes de dioxyde de carbone sont émis chaque seconde et 39 milliards de tonnes ont été émis cette année-là. Des chiffres qui donnent le tournis.

Le Fonds AXA pour la Recherche soutient la nouvelle Chaire AXA sur l’environnement et les recherches sur le climat 2022-2027 qui se donne pour objectif de régler ces deux grands problèmes de pollution environnementale en faisant d’une pierre deux coups. La chaire est dirigée par le professeur Olivier Coulembier, chercheur au Fonds de la recherche scientifique (FRS-FNRS) des Services des Matériaux Polymères et Composites (SMPC) de l’Université de Mons, en Belgique. Lors de l’inauguration officielle de la Chaire de recherche AXA, qui s’est tenue le 28 novembre 2022 à l’université de Mons, le professeur Coulembier a présenté les passionnantes possibilités induites par ses recherches.

Viabilité à l’échelle industrielle du recyclage du plastique

On estime que 367 millions de tonnes de plastique ont été produites dans le monde en 2020, dont 55 millions de tonnes en Europe. Pourquoi continuons-nous à produire de telles quantités de plastique, alors que nous connaissons pertinemment ses effets délétères sur l’environnement ? Très simplement, la production du plastique à partir de combustibles fossiles ne coûte pratiquement rien comparé à sa valorisation ou à son recyclage.

Si un grand nombre de voix s’élèvent pour défendre la production du plastique biodégradable, le professeur Coulembier n’en fait pas partie. « Pour la plupart des gens, le plastique biodégradable est comme une peau de banane qu’on peut se contenter de jeter – or ce n’est pas le cas » affirme-t-il. Les plastiques biodégradables nécessitent des conditions très spécifiques pour se décomposer, et même si ces polymères étaient réellement biodégradables, leur décomposition aurait pour conséquence de libérer du DIOXYDE DE CARBONE, du méthane et de la vapeur d’eau, qui sont les trois principaux gaz impliqués dans l’effet de serre. « Cela montre que nous avons besoin, à la place, d’engager nos efforts dans le recyclage de matériaux plastiques non-dégradables » affirme le professeur Coulembier.

Très logiquement, ses recherches se concentrent sur la famille de plastiques la plus polluante, les « polyoléfines. » Les polyoléfines, comme le polyéthylène et le polypropylène, sont générés en masse par l’industrie des emballages alimentaires, qui est le secteur produisant le plus de plastique après ceux de l’automobile et du bâtiment. Malheureusement, le recyclage de ces très longues macromolécules de plastique, faites d’atomes de carbone et d’hydrogène, est particulièrement ardu.

Viabilité industrielle de la valorisation du dioxyde de carbone

Les méthodes économiquement viables de valorisation du dioxyde de carbone sont déjà appliquées dans trois secteurs notables. Le dioxyde de carbone est par exemple utilisé dans la production de sodas, dans la réaction simple d’engrais à base d’ammoniac pour produire de l’urée et dans la « récupération assistée du pétrole » où il est injecté dans des gisements pour faciliter l’extraction en augmentant la pression des réservoirs. On estime que l’usage continu de ces méthodes de valorisation nous aidera à atteindre un « taux de récupération » du dioxyde de carbone de 272 millions de tonnes d’ici 2025. « Pris isolément, ce chiffre est relativement élevé » explique le professeur Coulembier, « mais ce n’en est pas moins une goutte d’eau dans la mer comparée aux estimations d’émission de 39 milliards de tonnes de dioxyde de carbone annuelles. »

Un des moyens de compenser l’énorme excès de gaspillage de dioxyde de carbone est de cesser de nous préoccuper de ce qui est « économiquement viable. » Nombre d’experts conviennent qu’il serait possible de valoriser des gigatonnes de dioxyde de carbone supplémentaires en ciblant les secteurs qui produisent des carburants, des polymères à base de dioxyde de carbone comme le plastique polycarbonate, des produits chimiques et des matériaux de construction. Mais quoi qu’il en soit, le dioxyde de carbone utilisé pour préparer ces produits et ces matériaux sera, à un moment ou un autre, de nouveau relâché dans l’atmosphère.

Pour le carburant, le délai de libération du dioxyde de carbone est relativement court ; on l’estime à un an. En revanche, pour les polymères ce délai est de l’ordre d’une centaine d’années, et pour les matériaux de construction comme le ciment ou les dérivés de ciment dans lesquels le dioxyde de carbone remplace l’eau, d’un million d’années. « Si nous voulons avoir le moins de répercussions possible sur le climat, nous devons donc investir dans l’élaboration de plastique et de matériaux de construction à base de dioxyde de carbone » affirme le professeur Coulembier.

Autre problème posé par les processus industriels existants valorisant le dioxyde de carbone, comme la production de l’antalgique de consommation courante qu’est l’aspirine : ils produisent eux-mêmes trop de dioxyde de carbone. Les hautes températures et les hautes pressions de dioxyde de carbone nécessaires requièrent l’utilisation de réacteurs énergivores qui à leur tour émettent d’énormes quantités de dioxyde de carbone. « Par conséquent, il nous faut développer des méthodes viables d’un point de vue industriel, qui transforment le dioxyde de carbone mais n’en libèrent pas » explique le professeur Coulembier.

L’empreinte carbone du recyclage du plastique

Les recherches du professeur Coulembier se donnent également pour objectif la gestion directe des techniques de recyclage médiocres, non-durables et même douteuses en vigueur actuellement. En 2018, environ 17,8 millions de tonnes de plastique ont été traitées et recyclées, ce qui représente une augmentation de 19% depuis 2006. Ces chiffres peuvent sembler prometteurs, mais si l’on s’y penche d’un peu plus près, c’est une image bien différente qui se fait jour. « Tous les procédés de traitement et les méthodes de recyclage existant libèrent des quantités variables mais massives de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, » déplore le professeur Coulembier.

De ces 17,8 millions de tonnes de plastique traitées et recyclées, 39,5% ont été incinérées pour produire de l’énergie — en Europe, nous ne considérons pas cela comme du recyclage — et 42% ont été recyclées soit par pyrolyse, soit par recyclage mécanique. La pyrolyse consiste à chauffer du plastique afin de dégrader les macromolécules et d’en créer de plus petites qui peuvent être récupérées et potentiellement purifiées afin d’être réutilisées, par exemple pour en faire des carburants de synthèse. Le recyclage mécanique — la méthode la plus attractive des deux — implique de trier le plastique par catégories, de le laver, de le chauffer puis de le réutiliser.

Si le recyclage mécanique est simple et économiquement viable, il dégrade et modifie les propriétés des polymères à force de recyclages et ne peut donc être répété à l’infini. En outre, si le recyclage mécanique a ce que les médias appellent une « basse empreinte carbone » il n’en libère pas moins d’énormes quantités de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. « Le recyclage mécanique libère en effet moins de dioxyde de carbone que d’autres techniques de valorisation des déchets, mais il compte quand même une production de 50% de dioxyde de carbone, » explique le professeur Coulembier. Cela signifie que le recyclage de deux tonnes de plastique libère une tonne de dioxyde de carbone dans l’atmosphère.

PLUCO : développer une méthode de recyclage à l’empreinte carbone négative

L’objectif du programme de recherches du professeur Coulembier, « l’élaboration de nouveaux matériaux par le traitement synergique de polluants plastiques et de dioxyde de carbone atmosphérique » (PLUCO), est de développer une méthode de recyclage du plastique à l’empreinte carbone basse ou nulle, voire négative. Une empreinte carbone négative signifie qu’il y a moins de de dioxyde de carbone produit à la fin du cycle que la quantité utilisée au début du processus de recyclage, et la stratégie pour y parvenir est relativement simple : utiliser le dioxyde de carbone pour recycler le plastique.

Dans le cadre de la Chaire AXA, le professeur Coulembier adoptera une approche de recherches étape par étape qui s’inscrit dans trois formules de travail complémentaires, résumées de la façon suivante :

1)     Recherche fondamentale sur le moyen de transformer le dioxyde de carbone en nouvelles molécules organiques. Pour qu’une telle méthode soit prise au sérieux à l’échelle industrielle et pour qu’elle ait un réel impact sociétal, elle doit être rapide, efficace, économiquement viable et avoir des conditions de réaction simples.

2)     Recherche sur la manière de traiter les matériaux plastiques pour créer de nouvelles molécules. Il s’agit de développer une méthode de traitement du plastique par le biais d’une transformation « plus douce, » afin d’éviter la dégradation des molécules et de permettre les « fonctionnalisations des chaînes. » Cela nécessitera des conditions peu énergivores, non-destructrices, sélectives des liaisons carbone et hydrogène du plastique et également tolérantes aux additifs que l’on trouve dans la plupart des plastiques.

3)     Optimisation de la réaction entre les molécules dérivées du dioxyde de carbone et les plastiques « fonctionnalisés » pour produire de nouveaux matériaux. Ce processus nécessite des conditions qui le rendent exploitable à l’échelle industrielle et ayant de réels impacts sociétaux, comme dans le secteur des matériaux de construction, afin d’avoir un impact minimal sur le climat.

Ces trois branches du projet PLUCO sont fermement ancrées dans la chimie des polymères, et les aspirations à créer une double solution aux problèmes des déchets plastiques et de dioxyde de carbone ne relèvent absolument pas de « la pure utopie, » affirme le professeur Coulembier. Pour la première partie du projet PLUCO, le laboratoire du professeur Coulembier se concentre sur une réaction très simple par laquelle le dioxyde de carbone est transformé en carbonates. Ce processus en une étape est connu depuis un certain temps, mais il est généralement produit en présence de catalyseurs métalliques toxiques et nécessite de hautes températures et de soumettre le dioxyde de carbone à haute pression. Mais avec un type de catalyseur différent — un catalyseur organique non-toxique — les conditions de réaction requises sont plus modérées, les températures plus réduites, les pressions du dioxyde de carbone « ridiculement basses » et les temps de réaction raccourcis.

En évoquant la seconde étape du projet PLUCO, le professeur Coulembier a expliqué comment l’ajout de points d’ancrage peut fonctionnaliser des molécules composées de carbone et d’hydrogène — ces mêmes atomes qui composent les molécules de plastique — grâce à l’application d’un catalyseur organique, et aboutir à des améliorations sans précédent du processus. « Ces réactions se contentent de la température ambiante et de la pression atmosphérique ; elles ont un temps de réaction court et une tolérance à un certain nombre de réactifs » développe-t-il. Les travaux en laboratoire ont démontré que cette transformation était possible pour les molécules de 4 à 11 atomes de carbone, c’est-à-dire des liquides, ainsi que pour les molécules à 20 atomes de carbone, c’est-à-dire des solides. Le professeur Coulembier et son équipe vont continuer à chercher d’autres moyens de catalyser cette réaction afin que des points d’ancrage puissent être ajoutés aux plastiques et leur permettre de réagir avec les molécules dérivées du dioxyde de carbone. 

Aux côtés de son réseau universitaire international, le professeur Coulembier travaillera en étroite collaboration avec des partenaires industriels afin de mettre au point les techniques de préparation possibles lors de la troisième étape du projet PLUCO. Le processus proposé est à ses yeux industriellement viable compte tenu des outils dont dispose déjà le SMPC, en particulier son expertise et ses recherches dans le domaine de « l’extrusion réactive. » Il s’agit d’une méthode de fabrication qui associe des processus chimiques traditionnellement distincts, comme la synthèse des polymères, et l’extrusion, comme la fusion et le mélange, afin d’aboutir à un processus unique. Cette méthode, ainsi que celles de la « chimie de flux, » sera étudiée plus en détail dans le cadre d’une collaboration interuniversitaire, tout comme la faisabilité de leur application dans la production de polymères à l’échelle industrielle.

Janvier 2023
Image par Xavi Cabrera/Unsplash