Économie circulaire des plastiques : réduction des contaminants dans les matériaux recyclés et les effluents de procédés

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

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

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

Alors que le monde s'efforce d'atteindre ses objectifs de neutralité carbone, la pression s'accentue pour accroître la récupération du carbone contenu dans les déchets plastiques grâce à la production de matières premières secondaires de haute qualité (afin d'éviter le recyclage à moindre échelle).

Les techniques de recyclage mécanique les plus modernes reposent principalement sur l'extrusion, un procédé qui permet de conserver l'intégrité du polymère. Cette technologie est particulièrement performante pour les flux de déchets relativement purs comme le PET.

Cependant, des composites plastiques multicouches de plus en plus complexes sont développés pour l'emballage, les textiles, les matériaux fonctionnels, etc., qui nécessitent des technologies de recyclage plus sophistiquées pour atteindre une qualité de matière première secondaire comparable à celle des matières premières vierges.

De plus, les substances actives telles que les colorants, les plastifiants ou les charges peuvent représenter une fraction massique importante du produit plastique. Ces additifs sont nécessaires à la fonctionnalité du produit, mais doivent être éliminés lors de la production de matières premières secondaires en plastique recyclé destinées au remplacement direct de la matière vierge, notamment si cette matière recyclée est utilisée 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 chimiques en vigueur (REACH/CLP dans l'UE et TSCA aux États-Unis).

Cependant, certains produits plastiques destinés à la construction ou aux biens de consommation ont une durée de vie bien plus longue. De ce fait, des substances comme le bisphénol A, pourtant déjà interdites, peuvent encore se retrouver dans le processus de recyclage. Afin de prévenir l'accumulation de ces substances extrêmement préoccupantes (SVHC), également appelées substances à risque du cycle de recyclage, il est nécessaire de purifier le flux de produits plastiques recyclés.

Tableau 1 : Substances (non) intentionnellement ajoutées (S(N)IAs) aux matières plastiques et leurs risques pour la santé humaine
 

Le composant principal des produits en plastique est un polymère ou un mélange de polymères constitué d'unités monomères chimiques répétitives. D'autres substances chimiques sont ajoutées comme auxiliaires de fabrication, tels que des lubrifiants, ou comme additifs, tels que des plastifiants, des retardateurs de flamme, des stabilisants thermiques et lumineux ou des pigments. Parmi ces substances figurent des molécules comme les phtalates, les paraffines, les bisphénols, les substances polyfluoroalkylées (PFAS), les alkylphénols, les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), les biocides, le talc et l'argile.

Figure 2 : Comparaison des températures typiques utilisées dans les procédés de recyclage/valorisation des plastiques et de la température d’ébullition des additifs plastiques courants. La colonne de droite indique dans quelle phase du produit les substances non intentionnelles (SNIAs) et intentionnelles (SIAs) (issues de la décomposition) se trouvent principalement.

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

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

Avec les technologies thermiques (pyrolyse, liquéfaction), les S(N)IAs s'évaporent dans la phase vapeur souhaitée, partiellement ou totalement décomposés. Sans traitement catalytique des vapeurs, ces molécules modifiées se retrouvent dans la phase huileuse condensée. À des températures encore plus élevées (gazéification, incinération), les S(N)IAs s'évaporent également, mais sont principalement oxydés en CO₂ (incinération) ou en CO (gazéification). Des composés très stables comme les PFAS peuvent rester inchangés et se retrouver alors dans la phase gazeuse/produit.

Les procédés utilisant des solvants (solvolyse et dépolymérisation) et les procédés thermolytiques (pyrolyse et liquéfaction) produisent des liquides contenant des impuretés, à l'origine de couleurs et d'odeurs indésirables, voire de la présence de substances préoccupantes. Ceci diminue la valeur de la matière première recyclée et peut endommager les équipements ou procédés en aval. De plus, les flux de déchets plastiques provenant de différentes sources peuvent présenter des degrés de contamination très variables, ou être relativement propres. Il peut donc être difficile d'évaluer la rentabilité du choix d'une technologie de purification.

Hydrotraitement catalytique : L’huile de pyrolyse des plastiques peut être nettoyée par hydrotraitement catalytique. Cette technologie, bien connue et éprouvée, peut toutefois s’avérer très coûteuse, notamment pour les petites installations. Les grandes raffineries disposent généralement déjà d’un hydrotraiteur, mais, selon le niveau de contamination, son exploitation peut être très onéreuse en raison de la consommation d’hydrogène et de la 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 génère un effluent aqueux fortement contaminé par des matières organiques, qui nécessite un traitement plus poussé qu’une simple station d’épuration.

Solutions de traitement au charbon actif : Les filtres à charbon actif constituent une alternative intéressante pour le recyclage des plastiques, qu’il s’agisse d’applications nécessitant des solvants ou de procédés thermolytiques. Ils purifient les liquides et les huiles avant l’étape suivante du processus de recyclage. Le charbon actif est relativement insensible aux différents contaminants organiques, même en cas de variations de leur concentration. Un contrôle qualité en fin de ligne suffit généralement à maîtriser le processus de purification par charbon actif. L’utilisation de filtres mobiles permet de réduire considérablement les coûts d’investissement, les coûts d’exploitation étant directement liés à la quantité de contaminants présents dans le flux de déchets. Les coûts fixes sont ainsi minimisés.

Notre étude de marché révèle une augmentation constante des projets de recyclage des plastiques faisant appel à de nouvelles technologies en Europe et en Amérique du Nord, notamment la pyrolyse et la solvolyse/dépolymérisation. Ces projets impliquent de multiples acteurs : marques, gestionnaires de déchets, développeurs de technologies, compagnies pétrolières et fabricants de machines.

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

Solutions DESOTEC pour les huiles de pyrolyse : Bien que certaines entreprises aient initialement cru que le charbon actif n’agissait qu’avec l’eau, nos résultats indiquent 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.

L'élément clé est l'utilisation d'un charbon actif de haute qualité, issu de ressources renouvelables, présentant une distribution de porosité et des groupements de surface optimaux. Des filtres spécialisés permettent de gérer les paramètres de procédé typiques ; dans certains cas, la filtration doit être effectuée à température élevée pour rendre la phase huileuse, voire cireuse, pompable.

Solutions DESOTEC pour la dépolymérisation et la solvolyse : Nous menons actuellement des essais en laboratoire avec de nombreuses entreprises du secteur. Le liquide à traiter est souvent protique, le plus souvent de l’eau (parfois avec un catalyseur), par exemple pour le PET. Cependant, d’autres solvants, voire des mélanges de solvants (y compris aprotiques), sont également utilisés.

Le type de charbon actif utilisé dans ces applications dépend du solvant, du degré de pollution et du niveau de pureté requis. Par exemple, une réduction de 99 % de la couleur (polluants) a été obtenue lors du recyclage de déchets textiles foncés par solvant. Dans ce cas, des filtres spécifiques seraient utilisés pour les températures élevées et les valeurs de pH potentiellement plus élevées ou plus basses.