Figure 1. L’utilisation des produits de dégradation du PIC comme engrais riche en azote ferme une boucle durable qui fait des bioplastiques une option beaucoup plus attrayante pour résoudre les problèmes environnementaux posés par les plastiques conventionnels à base de pétrole. Crédit : Daisuke Aoki de l’Institut de technologie de Tokyo
Les plastiques ont pris d’assaut le monde au cours du siècle dernier, trouvant des applications dans pratiquement tous les aspects de notre vie. Cependant, l’essor de ces polymères synthétiques, qui constituent la base des plastiques, a contribué à de nombreux problèmes environnementaux graves. Le pire d’entre eux est l’utilisation excessive de composés pétrochimiques et l’élimination de matériaux non biodégradables sans recyclage ; seulement 14% de tous les déchets plastiques sont recyclés, ce qui ne résout guère le problème.
Pour résoudre l’énigme du plastique, nous devons développer des systèmes « circulaires », dans lesquels les matières premières utilisées pour produire les plastiques bouclent la boucle après élimination et recyclage. À l’Institut de technologie de Tokyo, une équipe de scientifiques dirigée par le professeur adjoint Daisuke Aoki et le professeur Hideyuki Otsuka est à l’avant-garde d’un nouveau concept. Dans leur nouveau procédé respectueux de l’environnement, les plastiques produits à partir de biomasse (bioplastiques) sont recyclés chimiquement en engrais. Cette étude sera publiée le 28 octobre 2021 dans Chimie verte, une revue de la Royal Society of Chemistry axée sur la recherche innovante sur les technologies durables et respectueuses de l’environnement.
L’équipe s’est concentrée sur le poly (carbonate d’isosorbide) ou « PIC », un type de polycarbonate biosourcé qui a suscité beaucoup d’attention en tant qu’alternative aux polycarbonates à base de pétrole. Le PIC est produit à l’aide d’un matériau non toxique dérivé du glucose appelé isosorbide (ISB) comme monomère. La partie intéressante est que les liaisons carbonatées qui rejoignent les unités ISB peuvent être coupées à l’aide d’ammoniac (NH3) dans un processus connu sous le nom d’« ammonolyse ». Le processus produit de l’urée, une molécule riche en azote qui est largement utilisée comme engrais. Alors que cette réaction chimique n’était pas un secret pour la science, peu d’études sur la dégradation des polymères se sont concentrées sur les utilisations potentielles de tous les produits de dégradation au lieu des seuls monomères.
Tout d’abord, les scientifiques ont étudié dans quelle mesure l’ammonolyse complète du PIC pouvait être conduite dans l’eau dans des conditions douces (30°C et pression atmosphérique). La justification de cette décision était d’éviter l’utilisation de solvants organiques et de quantités excessives d’énergie. L’équipe a soigneusement analysé tous les produits de réaction par divers moyens, notamment la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire, la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et la chromatographie par perméation de gel.
Bien qu’ils aient réussi à produire de l’urée de cette manière, la dégradation du PIC n’était pas complète même après 24 heures, de nombreux dérivés de l’ISB étant toujours présents. Par conséquent, les chercheurs ont essayé d’augmenter la température et ont découvert qu’une dégradation complète pouvait être obtenue en environ six heures à 90 °C ! Le Dr Aoki souligne les avantages de cette approche : « La réaction se produit sans aucun catalyseur, ce qui démontre que l’ammonolyse du PIC peut être facilement effectuée à l’aide d’ammoniac aqueux et de chauffage. Ainsi, cette procédure est opérationnellement simple et respectueuse de l’environnement du point de vue du recyclage chimique.
Enfin, comme preuve de concept que tous les produits de dégradation du PIC peuvent être directement utilisés comme engrais, l’équipe a mené des expériences de croissance des plantes avec Arabidopsis thaliana, un organisme modèle. Ils ont découvert que les plantes traitées avec tous les produits de dégradation du PIC poussaient mieux que les plantes traitées uniquement avec de l’urée.
Les résultats globaux de cette étude montrent la faisabilité du développement de systèmes d’engrais à base de plastique (Figure 1). Les systèmes peuvent non seulement aider à lutter contre la pollution et l’épuisement des ressources, mais aussi contribuer à répondre à la demande alimentaire croissante dans le monde. Le Dr Aoki conclut sur une note positive : « Nous sommes convaincus que notre travail représente une étape importante vers le développement de matériaux polymères durables et recyclables dans un avenir proche. L’ère du « pain de plastique » approche à grands pas !
Référence : « Plastics to Fertilizers : Chemical Recycling of a Bio-based Polycarbonate as a Fertilizer Source » 28 octobre 2021, Chimie verte.
DOI : 10.1039/D1GC02327F
