Les chercheurs ont mis au point une méthode pour transformer les déchets plastiques en savon.

10 août 2023

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par Virginia Tech

Une équipe dirigée par des chercheurs de Virginia Tech a mis au point une nouvelle méthode de recyclage des plastiques en produits chimiques de grande valeur appelés tensioactifs, qui sont utilisés pour fabriquer du savon, du détergent et plus encore. Les travaux ont été publiés dans Science.

Les plastiques et les savons ont peu de points communs en ce qui concerne la texture, l'apparence et, surtout, leur utilisation. Mais il existe une connexion étonnante entre les deux au niveau moléculaire : la structure chimique du polyéthylène, l'un des plastiques les plus couramment utilisés dans le monde aujourd'hui, est étonnamment similaire à celle d'un acide gras, qui est utilisé comme précurseur chimique du savon. Les deux matériaux sont constitués de longues chaînes carbonées, mais les acides gras ont un groupe supplémentaire d'atomes à l'extrémité de la chaîne.

Guoliang 'Greg' Liu, professeur agrégé de chimie à la Virginia Tech College of Science, a longtemps pensé que cette similarité impliquait qu'il devrait être possible de convertir le polyéthylène en acides gras, et avec quelques étapes supplémentaires dans le processus, de produire du savon. Le défi était de savoir comment briser une longue chaîne de polyéthylène en plusieurs chaînes courtes - mais pas trop courtes - et comment le faire de manière efficace. Liu pensait qu'il y avait un potentiel pour une nouvelle méthode de recyclage qui pourrait transformer les déchets plastiques de faible valeur en une marchandise utile de grande valeur.

Après avoir réfléchi à la question pendant un certain temps, Liu a été frappé par l'inspiration en profitant d'une soirée d'hiver près d'une cheminée. Il regardait la fumée s'élever du feu et réfléchissait à la manière dont la fumée était composée de petites particules produites pendant la combustion du bois. Bien que les plastiques ne devraient jamais être brûlés dans une cheminée pour des raisons de sécurité et d'environnement, Liu s'est demandé ce qui se passerait si le polyéthylène pouvait être brûlé dans un environnement de laboratoire sûr.

Est-ce que la combustion incomplète du polyéthylène produirait de la 'fumée' comme le fait la combustion du bois ? Si quelqu'un capturait cette fumée, de quoi serait-elle composée ?

'Les bûches sont principalement constituées de polymères tels que la cellulose. La combustion des bûches brise ces polymères en chaînes courtes, puis en petites molécules gazeuses avant une oxydation complète pour former du dioxyde de carbone', a déclaré Liu, titulaire de la Blackwood Junior Faculty Fellowship of Life Sciences du département de chimie. 'Si nous décomposons de manière similaire les molécules de polyéthylène synthétique mais arrêtons le processus avant qu'elles ne se décomposent complètement en petites molécules gazeuses, nous devrions obtenir des molécules similaires au polyéthylène, mais de chaînes courtes.'

Avec l'aide de Zhen Xu et Eric Munyaneza, deux doctorants en chimie dans le laboratoire de Liu, Liu a construit un petit réacteur de type four dans lequel ils ont pu chauffer le polyéthylène dans un processus appelé thermolyse à gradient de température.

En bas, le four est à une température suffisamment élevée pour briser les chaînes de polymères, et en haut, le four est refroidi à une température suffisamment basse pour arrêter toute autre décomposition. Après la thermolyse, ils ont récupéré les résidus - semblables au nettoyage de la suie d'une cheminée - et ont constaté que l'intuition de Liu était juste : il était composé de 'polyéthylène à chaînes courtes', ou plus précisément, de cires.

C'était la première étape dans le développement d'une méthode pour recycler les plastiques en savon, a déclaré Liu. En ajoutant quelques étapes supplémentaires, notamment la saponification, l'équipe a fabriqué le premier savon au monde à partir de plastiques. Pour poursuivre le processus, l'équipe a fait appel à l'aide d'experts en modélisation informatique, en analyse économique et plus encore.

Certains de ces experts ont été introduits dans l'équipe grâce à des liens avec le Macromolecules Innovation Institute de Virginia Tech. Ensemble, le groupe a documenté et affiné le processus de recyclage jusqu'à ce qu'il soit prêt à être partagé avec la communauté scientifique.

'Notre recherche montre une nouvelle voie pour le recyclage des plastiques sans utiliser de catalyseurs nouveaux ou de procédures complexes. Dans ce travail, nous avons montré le potentiel d'une stratégie tandem pour le recyclage des plastiques', explique Xu, premier auteur de l'article. 'Cela incitera les gens à développer des conceptions plus créatives de procédures de recyclage à l'avenir.'

Although polyethylene was the plastic that inspired this project, the upcycling method can also work on another type of plastic known as polypropylene. These two materials make up much of the plastic consumers encounter every daily, from product packaging to food containers to fabrics. One of the exciting features of Liu's new upcycling method is that it can be used on both these plastics at once, meaning that it's not necessary to separate the two from each other. This is a major advantage over some recycling methods used today, which require careful sorting of plastics to avoid contamination. That sorting process can be quite difficult, because of how similar the two plastics are to each other.

Another benefit of the upcycling technique is that it has very simple requirements: plastic and heat. Although the later steps in the process require some additional ingredients to convert the wax molecules into fatty acids and soap, the initial transformation of the plastic is a straightforward reaction. This contributes to the method's cost-effectiveness as well as its comparatively small environmental impact.

For upcycling to be effective on a large scale, the final product must be valuable enough to cover the costs of the process and make it more economically attractive than alternative recycling options.

Although soaps may not initially seem like a particularly expensive commodity, they can actually be worth double or triple the price of plastics when compared by weight. Currently, the average price of soap and detergent amounts to about $3,550 per metric ton, and that of polyethylene is about $1,150 per metric ton. Furthermore, the demand for soaps and related products is comparable to the demand for plastics.

This research lays the groundwork for a new way to reduce waste by channeling used plastics into the production of other useful materials, Liu said. Over time, he hopes recycling facilities around the world will begin to implement this technique. If so, then consumers can expect to one day have the opportunity to buy revolutionary sustainable soap products that also lead to reduced plastic waste in landfills.

For this reason, turning plastics into soaps can be demonstrated to be economically viable, added Liu, who is also an affiliated faculty member of the nanoscience program, part of the College of Science's Academy of Integrated Science as well as the Department of Materials Science and Engineering in the Virginia Tech College of Engineering.

'It should be realized that plastic pollution is a global challenge rather than a problem of a few mainstream countries. Compared to a sophisticated process and complex catalyst or reagent, a simple process may be more accessible to many other countries worldwide,' Xu said. 'I hope this can be a good start for the war fighting plastic pollution.'

Researchers from the Department of Chemical Engineering also were part of this project and the resulting research paper.

Journal information: Science

Provided by Virginia Tech