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Les matériaux biosourcés, les matériaux du futur ?

Plus performants, plus durables, plus résistants, moins polluants… Malgré un cahier des charges toujours plus exigeant, nombreux sont les nouveaux matériaux à voir le jour.

Face à un monde en constante évolution où la mise en place d’une transition écologique et énergétique s’avère urgente, le besoin d’innover en termes de matériaux est un sujet d’actualité et ce, dans tous les secteurs.

Par exemple, le secteur du BTP représente à lui seul 44% des consommations énergétiques annuelles françaises en générant plus de 123 millions de tonnes de CO2. Afin de réduire leur empreinte carbone, le développement de nouveaux éléments alliant fabrication durable et performance représente un enjeu majeur. De nos jours, les innovations pour les matériaux ne manquent pas.

L’intérêt est ici de mettre en avant des matériaux biosourcés qui se sont développés au cours de ces dernières années. Étant issus de la biomasse, ceux-ci présentent des alternatives écologiques pouvant répondre à plusieurs enjeux environnementaux mondiaux.

Les plastiques  

Selon l’ADEME, 1,2 millions de tonnes d’emballages plastiques par an sont attribués aux ménages français dont seulement 17% sont recyclés après utilisation. De nos jours, les plastiques nous entourent au quotidien et leur production ne cesse de croître. En effet, depuis 2015, plus de 6,9 milliards de tonnes de déchets plastiques ont été produites. Environ 9 % ont été recyclés, 12 % ont été incinérés et 79 % ont été accumulés dans des décharges ou dans la nature. De plus, 66,6 kg de déchets plastiques sont produits par personne et par an en France.

En moins d’un siècle, les plastiques ont su conquérir la majorité des activités humaines avec pour conséquence actuelle une crise environnementale majeure. L’enjeu se situe dans la durabilité de ce produit : les emballages sont à consommation unique, ils ont donc vocation à être jetés après utilisation. Ceci constitue une source de déchets plastiques importante dont certes, la valorisation et le recyclage se sont développés au cours des années, mais pas de façon suffisante pour gérer l’ensemble de ces derniers. Pour cela, de nouveaux matériaux dit bio-sourcés suscitent de plus en plus un réel intérêt : leur  production à l’échelle mondiale a progressé de 68,6 % en trois ans, passant de 3,5 à 5,9 Mt en 2022.

Les films papier ETP, Ecological Transparent Paper, issus de l’entreprise FDR Emballages, répondent à cette problématique en proposant une alternative biosourcée aux films plastiques utilisés dans l’agroalimentaire. Fabriqué à partir de cellulose de bois, ce matériau écologique est totalement compostable et biodégradable. 

Ce dernier est constitué d’un film papier transparent résistant à la température, aux huiles et apte à être en contact avec des aliments. Il peut s’adapter à divers domaines d’activité ainsi qu’à diverses applications telles qu’en sachet ou en pelliculage sur des packagings carton.

Le ciment 

La production de ciment constitue une des industries les plus polluantes, représentant 2,9% des émissions françaises de gaz à effet de serre. En effet, pour produire du ciment, le calcaire et l’argile subissent une transformation dans des fours puissants dont la chaleur dégage du dioxyde de carbone. L’estimation mondiale du rejet de CO2 pour l’industrie du ciment est de 1 milliard de tonnes par an, soit à l’origine d’environ 7 % des émissions mondiales de CO2.

Par conséquent, l’enjeu se situe dans la réduction des émissions des gaz à effet de serre. 

Pour cela, l’entreprise BioMason a mis au point un ciment, nommé Biolith, en s’inspirant des écosystèmes marins, et plus précisément de la croissance des coraux. 

La production de ciment traditionnel libère du CO2 tandis que ce ciment alternatif capte le carbone pour croître à température ambiante. Ce dernier est fabriqué sous forme de carreaux prêts à poser pour une application extérieure et intérieure à partir de carbone et de calcium en utilisant les principes de la chimie douce.

De plus, Biolith dépasse les performances des matériaux traditionnels, notamment d’un point de vue de la résistance à la corrosion, d’adhérence et de tolérance.

La valorisation des déchets marins

Les déchets marins sont divers et variés, comprenant des mégots, des plastiques, des filets ou équipements de pêche. 80% d’entre eux proviennent des activités terrestres. Cependant, parmi ces déchets, certains sont issus directement du monde marin tels que les écailles de poisson.

Étant abondantes dans l’océan, les écailles constituent un mécanisme de défense pour toutes les variétés d’espèces de poissons peuplant nos océans. Ces dernières sont très peu valorisées puisqu’elles ne présentent pas de valeurs nutritives et sont généralement rejetées dans les cours d’eau.

Elles sont majoritairement composées de matières minérales comme l’hydroxyapatite, un minéral déjà utilisé dans la cosmétique et le biomédical, et de matières organiques, c’est-à-dire de collagène, un biopolymère biocompatible et biodégradable.

Abondamment utilisé dans l’industrie pharmaceutique ou encore cosmétique, la demande en collagène et ses dérivés est de plus en plus importante. De ce fait, les écailles de poissons constituent une ressource intéressante pour répondre à ces besoins croissants. 

Ainsi, Scalite, un matériau conçu uniquement à partir d’écailles de poissons, permet une valorisation des déchets marins. Étant issu à 100% de ressources marines renouvelables, ce biomatériau à l’aspect de marbre existe en plusieurs couleurs et finitions. Fabriqué sous forme de panneaux, il est adapté à la décoration d’intérieur, à des accessoires de maison ou à l’habillage mural. 

Et la suite ?

Comme nous avons pu le constater, nombreux sont les matériaux innovants ayant comme objectif de réduire leur impact environnemental. La plupart d’entre eux émane de ressources naturelles abondantes, comme le bois, voire de déchets naturels, tels que les écailles de poisson. 

De ce fait, les alternatives à ces matériaux ne manquent pas et ne demandent qu’à être exploitées.

Parmi ces derniers, lequel constituera le matériau de demain ?

Peut-être que le bois s’avèrera être le matériau du futur puisqu’il est à la fois économique et écologique. Parfumerie, textiles, biocarburants, matériaux, le bois est utilisé dans de nombreux secteurs comme source de matière première. Transformé, il permet de remplacer les énergies fossiles comme le pétrole et, ainsi, de protéger l’environnement. Cependant, face à une demande de plus en plus croissante, son coût risquerait d’augmenter dans les années à venir. Saura-t-il répondre à nos besoins ?

Bibliographie

ETP : https://fdr-emballages.com/etp/

Scalite : https://www.scale.vision/post/la-scalite-un-bio-materiau

Biolith : https://biomason.com/biolith

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Le CO2 supercritique, un traitement magique pour réutiliser les masques FFP2 ?

En décembre 2019, dans la province de Hubei à Wuhan en Chine, une première alerte est lancée contre un certain virus nommé le SARS-CoV-2. Quelques semaines plus tard, un avertissement mondial résonne sur toutes les chaînes d’informations du monde entier contre ce même virus, dont le nom nous est actuellement tous familier : le coronavirus.

Suite à son apparition, protéger les soignants et réduire au mieux la propagation de ce virus dans la population sont devenus le principal objectif de tous. Ainsi, des équipements de protection faciale (FPE) ont rapidement été mis en place afin de garantir la sécurité de la population mondiale : le masque chirurgical et le masque FFP2.

Par conséquent, la Terre a été témoin d’une production massive de FPE dans le but de répondre à ce besoin urgent et croissant. Effectivement, un masque chirurgical est considéré comme étant efficace lorsque son temps d’utilisation n’excède pas quatre heures, contre huit heures pour un masque FFP2.

De ce fait, nombreuses sont les conséquences de cette production soudaine et intensive de FPE.

Une première répercussion fut un manque rapide de FPE durant les premiers mois, créant ainsi de nombreuses pénuries, notamment dans le secteur médical. En conséquence, les autorités sanitaires se sont vues dans l’obligation d’accepter des écarts concernant les bonnes pratiques et les normes, qui suggéraient le changement de FPE, pour le personnel de santé, à chaque nouveau patient.

De plus, l’impact environnemental engendré par cette fabrication n’est pas anodin. En effet, il a fallu importer des matières premières, le plus souvent en provenance de l’étranger, pour concevoir les masques. Puis, dans une logique de modèle respectueux de l’environnement, il a été indispensable de mettre en place l’élimination et la revalorisation de ces nouveaux déchets.

Pour toutes ces raisons, des équipes du monde entier se sont mises à la recherche de techniques permettant de décontaminer les masques FFP2 afin de permettre leur réutilisation.

Pour cela, plusieurs traitements classiques de nettoyage et stérilisation ont été testés, tels que l’autoclave, les rayons UV ou encore la stérilisation par le peroxyde d’hydrogène H2O2. Cependant, toutes ces méthodes sont restées insatisfaisantes puisque les critères d’utilisation du masque, issus des normes sanitaires, n’étaient plus respectés.

C’est au CNRS de Bordeaux qu’une technologie innovante fut testée pour nettoyer, décontaminer et stériliser les masques FFP2 : le CO2 supercritique.

Mais, qu’est-ce que le CO2 supercritique ?

Le dioxyde de carbone, CO2, atteint un seuil, dit critique, lorsque ce dernier se trouve à une température supérieure à 304 K (soit 31°C) et une pression supérieure à 73,8 bars. Ainsi, dans cet état dit supercritique, le CO2 adopte des propriétés se situant entre l’état liquide et gazeux.

Par exemple, sa viscosité est proche de celle du gaz, tandis que sa densité est plus proche de celle du liquide. Grâce à tout ceci, le CO2 supercritique devient un solvant possédant des caractéristiques très intéressantes pour nous, chimistes. 

Le CO2 supercritique est :

  • Ininflammable
  • Non polluant
  • Neutre
  • Non-toxique
  • Solvant vert, soit un solvant alternatif /de substitution face à ceux rencontrés traditionnellement en synthèse organique puisqu’il présente les mêmes propriétés que les solvants toxiques qu’il remplace.

En effet, parce qu’à l’état supercritique, le CO2 devient un solvant naturel permettant de diminuer l’utilisation de solvants chimiques toxiques mais également la consommation d’énergie, cette technologie ouvre de nouvelles applications dans de nombreux domaines divers et variés.

Parmi les premières applications industrielles du CO2 supercritique, nous pouvons citer l’extraction de solide dans le domaine de l’agroalimentaire, tel que la caféine ou des arômes, la production d’huiles essentielles et de médicaments sans résidus toxiques ou encore, le nettoyage à sec de textile.

Qu’a réalisé le CNRS de Bordeaux avec le CO2 supercritique sur les masques FFP2 ?

Afin de tester les pouvoirs nettoyants, décontaminants et stérilisants du CO2 supercritique sur les masques FFP2, une étude a été menée en faisant varier différents paramètres opératoires : la température, la pression, le temps de traitement et la présence ou non de solvants dans un autoclave. 

Un autoclave est un appareil, généralement utilisé dans le domaine médical, utilisant de la vapeur d’eau pour stériliser des équipements. Cela permet l’inactivation de tous les virus ou bactéries présents sur ces derniers.

Ainsi, plusieurs expériences se sont déroulées dans le but de déterminer les conditions optimales de traitement des FPE de telle sorte que ces derniers conservent leur capacité de filtration et, par conséquent, leur efficacité de protection face à un virus.

Pour cela, rien de très compliqué : 500 µL d’une solution 50/50 d’éthanol et de peroxyde d’hydrogène sont ajoutés dans un autoclave, contenant un masque FFP2, qui est ensuite préchauffé avant toute injection de CO2. Ce dernier est d’abord à l’état liquide puis, en entrant dans l’autoclave à une température et une pression supérieures au seuil critique, soit ici 343 K et 75 bar, le traitement de nettoyage, décontamination et stérilisation du masque peut commencer. 

Grâce à une circulation permanente du CO2 supercritique dans l’autoclave et grâce à ses propriétés particulières, il pénètre au cœur de la matrice et vient ôter toutes les bactéries présentes en surface. Finalement, le protocole se termine par une dépressurisation rapide (7.0 MPa/min) et un refroidissement, avant de pouvoir récupérer le masque qui sera sec, non contaminé, propre et stérile en fin de traitement.

Concernant l’utilisation d’une solution de co-solvants, l’éthanol et le peroxyde d’hydrogène occupent une place bien précise dans la réalisation du traitement. Effectivement, le peroxyde d’hydrogène, H2O2, est un oxydant très fort jugé indispensable et complémentaire au CO2 pour le traitement puisque ce dernier permet d’accélérer le processus. Quant à l’éthanol, il est un solvant polaire notamment utilisé pour traiter la présence d’éventuelles tâches en fin de traitement.

Comment vérifier que le masque est bien réutilisable et toujours efficace en fin de traitement ?

Pour vérifier la capacité de ce traitement à nettoyer, décontaminer et stériliser un masque FFP2, constitué principalement de polypropylène, il faut être en mesure de vérifier que l’ensemble des micro-organismes présents à la surface de ce dernier a été éliminé.

Ainsi, en effectuant différents tests microbiologiques et en comparant des masques traités au CO2 supercritique avec des masques non traités, le CNRS de Bordeaux a pu constater qu’aucun micro-organisme ne subsiste à ce traitement et que le masque FFP2 remplit les critères et les normes sanitaires afin d’être réutilisé.

De ce fait, la combinaison de l’autoclave avec du CO2 supercritique couplé à une solution de co-solvants permet actuellement de traiter les masques FFP2 et, par extension, de résoudre la problématique de gestion des déchets et de l’impact environnemental de ces derniers.

Effectivement, pouvant résister jusqu’à cinq traitements sans subir le moindre changement physique ni la moindre perte d’efficacité, il est actuellement possible de réutiliser un même masque autant de fois, tout en étant protégé à chaque utilisation. 

Magique ? Non, seulement chimique ! 

Et la suite ?

Serait-il également possible de traiter les masques chirurgicaux avec ce traitement au CO2 supercritique ?

Pourra-t-on aboutir à une revalorisation complète des masques ?

Se pourrait-il qu’une application industrielle visant à nettoyer, décontaminer et stériliser les masques avec un traitement à base de CO2 supercritique voit le jour ?

Tant de questions qui demeurent encore sans réponses et ne demandent qu’à être explorées…

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Newsletter de Mai

Bonjour à toutes et à tous,

On se retrouve pour notre rendez-vous mensuel, voici la newsletter qui récapitule tout ce qui s’est passé ce mois-ci pour CLE.

On espère qu’elle vous plaira, bon visionnage à tous !

Chimie Lille Etudes, Junior-Entreprise de l’ENSCL

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