Connu pour sa légèreté, son faible coût, sa personnalisation quasi illimitée et sa présence omniprésente, le plastique, malgré ses nombreux avantages, est devenu un problème majeur. À l’inverse du verre, infiniment recyclable, le recyclage du plastique se révèle être un processus complexe et coûteux, en raison de la structure moléculaire sophistiquée de ce matériau, conçue pour répondre à des besoins spécifiques.
On estime qu’environ 380 millions de tonnes de plastique sont produites chaque année à travers le monde. Pourtant, seulement 9 % de tous les déchets plastiques sont recyclés, environ 12 % sont incinérés, et le reste est jeté dans les décharges et l’environnement naturel.
La pyrolyse : une technologie porteuse d’espoir
Une nouvelle étude menée par le laboratoire de Giannis Mpourmpakis, professeur agrégé en génie chimique et pétrolier à l’Université de Pittsburgh, se concentre sur l’optimisation d’une technologie prometteuse appelée pyrolyse. Ce procédé peut recycler chimiquement les déchets plastiques en produits chimiques plus précieux.
« La pyrolyse est relativement peu coûteuse et peut générer des produits de grande valeur, ce qui en fait une solution pratique et attrayante« , a commenté M. Mpourmpakis. « Elle a déjà été développée à une échelle commerciale. Le principal défi maintenant est de trouver les conditions optimales d’opération, compte tenu des produits chimiques de départ et finaux, sans avoir à recourir fortement à l’expérimentation par tâtonnements.«
Optimisation de la pyrolyse : un défi de taille
Pour optimiser les conditions de pyrolyse et produire les produits souhaités, les chercheurs utilisent généralement des calculs thermodynamiques basés sur ce qu’on appelle l’approche de minimisation de l’énergie libre de Gibbs. Cependant, l’absence de données thermochimiques peut limiter la précision de ces calculs.
Bien que les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) soient couramment utilisés pour obtenir des données thermochimiques précises pour les petites molécules, leur application devient difficile et coûteuse en termes de calculs pour les grosses molécules flexibles qui composent les déchets plastiques, surtout aux températures élevées de la pyrolyse.
Une avancée significative dans le domaine de la pyrolyse
Dans cette étude, M. Mpourmpakis et Hyunguk Kwon, professeur à la Seoul National University of Science and Technology, ont développé un cadre de calcul pour calculer avec précision la thermochimie des grosses molécules flexibles en fonction de la température.
Ce cadre combine la recherche conformationnelle, les calculs DFT, les corrections thermochimiques, et les statistiques de Boltzmann; les données de thermochimie qui en résultent sont utilisées pour prédire les profils de décomposition thermique de l’octadécane, un composé modèle représentant le polyéthylène.
L’analyse computationnelle proposée, basée sur des principes de première main, offre une avancée significative dans la prédiction des distributions de produits en fonction de la température à partir de la pyrolyse du plastique. Elle peut orienter les futurs efforts expérimentaux dans le recyclage chimique des plastiques, permettant aux chercheurs d’optimiser les conditions de pyrolyse et d’augmenter l’efficacité de la conversion des déchets plastiques en produits chimiques précieux.
En synthèse
La production de plastiques devrait continuer à augmenter, il est donc essentiel que nous trouvions et perfectionnions des moyens de recycler et de réutiliser les plastiques sans nuire à l’environnement », a précisé M. Mpourmpakis. Ce travail, financé par la National Science Foundation, contribue au développement de stratégies de gestion des déchets durables et à la réduction de la pollution plastique, offrant des avantages potentiels pour l’environnement et la société.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que la pyrolyse ? C’est une technologie qui permet de transformer les déchets plastiques en produits chimiques de valeur en les chauffant à haute température en l’absence d’oxygène. C’est une forme de recyclage chimique.
Comment fonctionne la pyrolyse ? Elle fonctionne en chauffant les déchets plastiques à des températures très élevées, généralement entre 400 et 800 °C, en l’absence d’oxygène. Cela décompose les longues chaînes de polymères qui constituent le plastique en petites molécules qui peuvent être utilisées pour produire des produits chimiques de valeur.
Quels sont les avantages de la pyrolyse ? La pyrolyse peut aider à résoudre le problème de la pollution par les déchets plastiques en convertissant ces déchets en produits chimiques de valeur. Elle peut également aider à réduire la dépendance à l’égard des combustibles fossiles, car certains des produits chimiques produits peuvent être utilisés comme source d’énergie.
* Le papier a été publié et a fait la une du Journal of Chemical Theory and Computation de l’American Chemical Society (ACS).
The paper, “Ab Initio Thermochemistry of Highly Flexible Molecules for thermal Decomposition Analysis,” (DOI: 10.1021/acs.jctc.3c00265), was featured on the cover of the June 23, 2023 issue of the Journal of Chemical Theory and Computation.
