Économie circulaire des plastiques : réduction des contaminants dans les matières recyclées et les effluents des procédés

La fabrication de matières premières secondaires à partir d’un flux de déchets nécessite le nettoyage de :

• Le flux de produits provenant des « substances du cycle de risque ». Il s'agit de substances présentes dans la matrice matérielle : à la fois des substances ajoutées intentionnellement (IAS), telles que les additifs, et des substances ajoutées non intentionnellement (NIAS), telles que celles résultant de la décomposition d'additifs.
• Le processus d'échappement et les effluents des eaux usées.

Une fois cette étape terminée, la matière première secondaire peut être introduite dans l'étape de production correspondante du cycle de vie du plastique. Pour en savoir plus sur le travail de DESOTEC dans l'industrie des plastiques et des composites, cliquez ici.

Alors que le monde s’efforce d’atteindre ses objectifs de zéro émission nette, la pression s’accentue pour augmenter la récupération du charbon à partir des déchets plastiques grâce à la production de matières premières secondaires de haute qualité (pour éviter le recyclage).

Les techniques de recyclage mécanique les plus modernes reposent principalement sur l'extrusion, dans laquelle le polymère reste intact. Cette technologie fonctionne très bien pour les flux de déchets relativement purs comme le PET.

Cependant, des composites plastiques multicouches de plus en plus complexes sont développés pour les emballages, les textiles, les matériaux fonctionnels, etc., qui nécessitent des technologies de recyclage plus sophistiquées pour atteindre une qualité de matière première secondaire proche de celle du vierge.

En outre, les IAS tels que les colorants, les plastifiants ou les charges peuvent constituer une fraction pondérale importante du produit plastique. Ces additifs sont nécessaires à la fonctionnalité, mais doivent être éliminés lors de la production de matières premières secondaires en plastique recyclé pour le remplacement direct de matières vierges, en particulier si ces matières recyclées doivent être utilisées dans une autre application.

Pour les produits en plastique à courte durée de vie tels que les emballages, les additifs présents dans les flux de déchets plastiques sont généralement conformes aux réglementations actuelles sur les produits chimiques (REACH/CLP dans l’UE et TSCA aux États-Unis).

Certains produits en plastique destinés à la construction ou aux biens de consommation ont toutefois une durée de vie bien plus longue. Ainsi, des substances comme le bisphénol A, qui ont déjà été éliminées, peuvent dès aujourd’hui être recyclées. Pour éviter l’accumulation de ces substances extrêmement préoccupantes (SVHC), également appelées substances à risque, le flux de produits en plastique recyclé doit être nettoyé.

Tableau 1 : Substances ajoutées (non) intentionnellement aux matières plastiques et leurs dangers pour l'homme

Le composant principal des produits en plastique est un polymère ou une combinaison de polymères fabriqués à partir d'unités monomères chimiques répétitives. D'autres produits chimiques sont ajoutés comme auxiliaires de fabrication tels que des lubrifiants ou comme additifs tels que des plastifiants, des retardateurs de flamme, des stabilisateurs de chaleur et de lumière ou des pigments. Il s'agit notamment de molécules telles que les phtalates, les paraffines, les bisphénols, les substances polyfluoroalkylées (PFAS), les alkylphénols, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les biocides, le talc et l'argile.

Fig. 2 : Comparaison des températures typiques utilisées dans les approches de recyclage/valorisation du plastique par rapport à la température d'ébullition des additifs plastiques typiques. La colonne de droite indique dans quelle phase du produit les substances ajoutées non intentionnelles (NIAS) et intentionnelles (IAS) (décomposées) peuvent être principalement trouvées.

La figure 2 montre que tous les NIAS/IAS ne peuvent pas être entièrement éliminés dans la phase vapeur par les paramètres de processus typiques utilisés dans l'extrusion (recyclage mécanique) pour produire un recyclat sans additif.

Pour les technologies de recyclage qui utilisent un solvant (délaminage, dépolymérisation), l'élimination des (N)IAS du recyclat est fonction de la solubilité des (N)IAS dans le solvant utilisé.

Avec les technologies thermiques (pyrolyse, liquéfaction), les (N)IAS s'évaporent dans la phase vapeur souhaitée, partiellement ou totalement décomposée. Sans traitement catalytique de la vapeur, ces molécules modifiées se retrouveront dans la phase huileuse condensée. À des températures encore plus élevées (gazéification, incinération), les (N)IAS s'évaporent également mais seront principalement oxydés en CO ₂
(incinération) ou au CO (gazéification). Des composés très stables comme les PFAS peuvent ne pas être altérés et se retrouver alors en phase gaz/produit.

Les procédés nécessitant des solvants (solvolyse et dépolymérisation) et thermolytiques (pyrolyse et liquéfaction) produisent des liquides contenant des impuretés, provoquant des couleurs, des odeurs indésirables et même des substances préoccupantes, réduisant ainsi la valeur de la matière première recyclée et endommageant potentiellement les équipements ou les procédés en aval. De plus, les flux de déchets plastiques provenant de différentes sources peuvent avoir des degrés de contamination très différents ou être relativement propres. Il peut donc être difficile de calculer l'analyse de rentabilisation nécessaire pour décider d'une technologie de purification.

Hydrotraitement catalytique : l'huile de pyrolyse plastique peut être nettoyée à l'aide d'un hydrotraiteur catalytique. Cette technologie est bien connue et éprouvée, mais elle peut s'avérer très coûteuse, en particulier pour les petites applications. Les grandes raffineries disposent probablement déjà d'un hydrotraiteur, mais, en fonction du niveau de contaminants, son fonctionnement peut être très coûteux en termes de consommation d'hydrogène et de désactivation du catalyseur.

Lavage caustique : Une autre possibilité est le lavage caustique. Son efficacité à l'échelle industrielle avec l'huile de pyrolyse plastique est actuellement à l'étude. Ce traitement produit un flux de déchets aqueux fortement contaminé par des matières organiques qui nécessite lui-même un traitement au-delà d'une simple station d'épuration des eaux usées.

Solutions de traitement au charbon actif : les filtres à charbon actif offrent une alternative viable dans les applications de recyclage de plastique nécessitant des solvants et thermolytiques, purifiant le liquide et l'huile pour l'étape suivante du processus de recyclage. Le charbon actif est relativement insensible aux différents contaminants organiques ou même aux concentrations fluctuantes de ceux-ci. Le contrôle de la qualité du produit en fin de ligne peut suffire à contrôler le processus de purification du charbon actif. Lorsque le charbon actif est livré dans des filtres mobiles, les coûts d'investissement sont très minimes et les coûts d'exploitation reflètent directement l'apport de contaminants avec le flux de déchets. Les coûts fixes sont minimisés.

Nos études de marché montrent qu'il existe en Europe et en Amérique du Nord un nombre croissant de projets de recyclage des plastiques avec de nouvelles technologies, notamment la pyrolyse, et un nombre similaire d'applications de solvolyse/dépolymérisation. Ces projets impliquent de multiples parties prenantes, notamment des propriétaires de marques, des gestionnaires de déchets, des développeurs de technologies, des sociétés pétrolières et des fabricants de machines.

De nombreux clients du secteur européen de la pyrolyse des plastiques, du délaminage et de la dépolymérisation des huiles (et quelques clients aux États-Unis) testent déjà nos solutions en laboratoire, y compris des tests pilotes à l'échelle industrielle avec les filtres commerciaux de DESOTEC.

Solutions DESOTEC pour la pyrolyse des huiles : Bien que certaines entreprises aient initialement cru que le charbon actif ne fonctionnait qu'avec de l'eau, nos résultats suggèrent que nos solutions de filtration sont capables de réduire les niveaux de contaminants contenant des hétéroatomes dans les huiles. Une réduction de 40 % et plus des composés azotés, oxygénés et chlorés a été obtenue pour la pyrolyse des déchets post-industriels et post-consommation.

La clé de ce succès réside dans le charbon actif renouvelable de haute qualité, doté d'une distribution de taille de pores et de groupes de surface avantageux. Des filtres spécialisés peuvent gérer les paramètres de processus typiques. Dans certains cas, la filtration doit être effectuée à une température élevée pour rendre la phase huileuse ou même la phase paraffineuse pompable.

Solutions DESOTEC pour la dépolymérisation et la solvolyse : nous effectuons également des tests en laboratoire avec un nombre considérable d'entreprises dans ce domaine. Le liquide à traiter est souvent protique, dans la plupart des cas de l'eau (parfois avec un catalyseur), par exemple pour le PET. Cependant, d'autres solvants ou même des ensembles de solvants (également aprotiques) sont également utilisés.

Les qualités de charbon actif utilisées dans ces applications dépendent du solvant, du degré de pollution et du niveau de pureté du produit requis. Une réduction de 99 % de la couleur (polluant), par exemple, a été obtenue dans le cadre du recyclage à base de solvants de déchets textiles foncés. Dans un tel scénario, des filtres spécialisés seraient utilisés pour les températures élevées et les valeurs de pH potentiellement plus élevées/plus basses.