Soutenance mémoire
Le contexte du recyclage des polymères issus de produits en fin de vie
Certaines ressources pétrolières ou minérales sont de plus en plus rares et de plus en plus chères à extraire et génèrent lors de leur extraction des impacts environnementaux de plus en plus importants sur l’écosystème et la santé humaine. Comme beaucoup d’études le montrent, l’amélioration de la recyclabilité d’un produit est une des voies pour diminuer les impacts environnementaux et les coûts des matériaux. Par exemple, la production de plastiques recyclés permet d’économiser plus de 80% d’énergie par rapport à celle de matières vierge et d’éviter des émissions importantes de gaz à effet de serre.
Les métaux sont actuellement bien recyclés même si des efforts restent à faire pour améliorer la qualité des matières secondaires. Certains matériaux sont moins bien recyclés, c’est le cas des plastiques alors même qu’ils ont une mauvaise image auprès des consommateurs en raison de leur impact sociétal sur les milieux marins .
Une étude conduite par la WRAP (WRAP 2010) sur l’évaluation environnementale des scénarios de traitement des plastiques en fin de vie montre que le nombre d’études en faveur du scénario de recyclage est plus élevé que celles favorables aux scénarios incinération avec valorisation énergétique, enfouissement en centre technique et pyrolyse. Malgré le développement de l’éco-conception des produits (Tonnelier et al. 2007, Millet 2003) et l’amélioration des technologies de recyclage, les polymères sont actuellement peu recyclés. Pourquoi sont-ils peu recyclés ? Le traitement en fin de vie des biens de consommation par broyage produit des mélanges complexes. Les méthodes actuelles physico chimiques (Reuter et al. 2006) ne permettent pas de trier les mélanges complexes avec des taux de pureté élevés et les méthodes spectrométriques ne permettent pas de trier les matériaux polymères de couleur sombre. En 2009, 24,3 Mt de déchets plastiques ont été générés en Europe et seulement 22,5% en moyenne ont été recyclés tous secteurs confondus (PlasticsEurope 2009).
La présence d’impuretés dans les polymères liée à la mauvaise qualité du tri a des conséquences sur les performances du matériau recyclé. La qualité des matières recyclées est nécessaire pour trouver des débouchés nobles et élargir le nombre d’opportunités d’utiliser une matière performante, sure et d’une valeur économique proche des plastiques vierges. Enfin dans le contexte actuel, beaucoup de produits de grande consommation échappent à la collecte ou leur traitement est effectué dans des installations de taille moyenne. Les gisements massifiés de plastiques ne sont pas très abondants. Il serait donc judicieux de trouver des compromis entre le niveau de tri (par matrice, par additif,..), les propriétés et les volumes générés pour répondre aux demandes de grands donneurs d’ordres du marché. L’objectif de ce travail de thèse est de comprendre ces limites technologiques et d’apporter une solution au verrou technologique qui est le tri des polymères de couleur sombre, une proposition est d’ajouter des traceurs spécifiques à des familles de polymères afin d’en faciliter le tri industriel automatisé et rapide par tri spectrométrique par fluorescence UV.
Contexte : Du recyclage à l’éco-conception des produits
Les limites des procédés de recyclage des polymères
Il existe des procédés de tri des fractions de polymères mais les technologies actuelles ne permettent pas de trier des mélanges de matériaux polymères de couleur sombre, de densités qui se chevauchent, de plus des limites existent aussi pour la détection par spectrométrie NIR pour certains polymères. Les fractions qui ne sont pas recyclées actuellement représentent des gisements importants. Le problème se pose donc pour les polymères de couleur sombre et certains polymères clairs : comment les trier pour les recycler ?
L’éco-conception pour le recyclage
Définition
La conception pour le recyclage est une stratégie d’éco-conception. L’éco-conception est une approche systémique permettant de concevoir des produits plus respectueux de l’Environnement. Pour une entreprise qui a une stratégie de diminution de ses impacts environnementaux, la première étape est de réaliser une revue de tous les processus qui interviennent dans la conception d’un produit et de trouver des solutions pour diminuer les impacts sur le cycle de vie du produit. Plusieurs stratégies peuvent être adoptées et sont synthétisées dans . Dans la phase de choix des matériaux, on peut choisir des matériaux moins impactants, réduire les quantités de matériaux, améliorer les techniques de fabrication, le transport, la phase d’utilisation, optimiser la durée de vie et la fin de vie des produits.
Il est couramment admis que la phase d’utilisation est la plus impactante pour les produits consommant de l’énergie car ces impacts ont un effet direct sur le changement climatique. Pourtant les impacts de la phase de fabrication des produits ne doivent pas être oubliés car les effets sur les ressources minières et les énergies non renouvelables sont irréversibles. Ces ressources sont limitées et leur extraction est de plus en plus impactante en raison de leur concentration de plus en plus faible et par voie de conséquence de coûts de plus en plus élevés. Une solution est de réutiliser ou recycler les matériaux composants les produits en fin de vie.
La stratégie d’éco-conception pour le recyclage
Un matériau recyclable doit conserver ses propriétés mécaniques et chimiques et être triable par les filières de recyclage. Eco-concevoir des matériaux recyclables c’est rendre les matériaux transformables et triables pour un rapport performance coût acceptable. Sur la roue de l’éco-conception la stratégie 1 est de prendre en compte les limites des ressources et la stratégie 7 de prendre en compte les limites des procédés de tri. Ces deux limites conduisent à des contraintes de conception sur le choix des matériaux et sur leur association (Maris et al. 2014b).
L’éco-conception pour le recyclage est-elle moins impactante sur l’environnement ?
Pour les plastiques, il faut savoir que 95% de l’énergie nécessaire pour produire un kilogramme de plastique est due à l’extraction et au raffinage du pétrole (Johnstone 2005). Lorsque la matière plastique recyclée se substitue à de la matière plastique vierge à des taux de substitution proche de 100%, le recyclage est plus avantageux que la valorisation énergétique. De plus, certains polymères peuvent suivre plusieurs cycles de recyclage (Assadi 2002). Une étude conduite par la WRAP (WRAP 2010) sur l’évaluation environnementale des scénarios de traitement des plastiques en fin de vie montre que le nombre d’études en faveur du scénario de recyclage est plus élevé que celles favorables aux scénarios incinération avec valorisation énergétique, enfouissement en centre technique et pyrolyse . Ceci est vrai pour toutes les catégories d’impacts et principalement pour l’impact sur le changement climatique et sur le prélèvement des ressources non renouvelables.
Les limites actuelles des stratégies d’éco-conception de produits pour le recyclage
Face aux prévisions de pénurie de certaines ressources à moyen terme, les efforts pour améliorer la recyclabilité des matériaux ont conduit les recycleurs de matières à améliorer les procédés de tri et les concepteurs à diminuer le nombre de matériaux dans les produits, à choisir des matériaux recyclables et associer les matériaux de façon à ce qu’ils soient potentiellement triables. Il existe encore plusieurs difficultés au recyclage des matières issues des produits arrivant en fin de vie. Ces produits sont collectés et traités en fin de vie, cela conduit après broyage à trier des mélanges complexes (Reuter et al. 2006) , issus d’un produit, pouvant être au départ, éco-conçu. Les mélanges sont définis comme complexes car ils sont composés de plusieurs familles de polymères pour la plupart incompatibles entre elles. Ces polymères sont de couleurs et d’épaisseurs différentes, de forme relativement plates et contaminés, lors du broyage d’automobiles par exemple, de films gras et de poussières (Maris et al. 2014a). La deuxième difficulté est liée aux deux types de technologies de tri industrielles les plus représentatives du secteur du recyclage qui ne permettent pas de trier des matériaux par tri physico-chimique comme le tri densimétrique quand les densités se chevauchent et par tri spectrométrique rapide NIR quand les polymères sont de couleurs foncées. En 2009, 24,3 Mt de déchets plastiques ont été générés en Europe et seulement 22,5% en moyenne ont été recyclés tous secteurs confondus (PlasticsEurope 2009).
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Table des matières
INTRODUCTION
LE CONTEXTE DU RECYCLAGE DES POLYMERES ISSUS DE PRODUITS EN FIN DE VIE
CADRE DU PROJET DE THESE
PRESENTATION DU DEROULEMENT DE LA THESE
CHAPITRE 1: CONTEXTE ET PROBLEMATIQUE
CONTEXTE : DU RECYCLAGE A L’ECO-CONCEPTION DES PRODUITS
LES LIMITES DES PROCEDES DE RECYCLAGE DES POLYMERES
L’ECO-CONCEPTION POUR LE RECYCLAGE
Définition
La stratégie d’éco-conception pour le recyclage
L’éco-conception pour le recyclage est-elle moins impactante sur l’environnement ?
LES LIMITES ACTUELLES DES STRATEGIES D’ECO-CONCEPTION DE PRODUITS POUR LE RECYCLAGE
LA DEMANDE DU MARCHE EN MATIERES RECYCLEES (MPS)
ANALYSE DES BESOINS
QQOQCP : Qui, Quoi, Où, Quand, Comment, Pourquoi
Bête à corne générale
Analyse fonctionnelle externe
Eco-concevoir : Faire évoluer le système Matériaux/Procédés de tri
Conclusion générale
Etat de lieux des stratégies de traçage des polymères pour le tri
CONCLUSIONS
PROBLEMATIQUE DE RECHERCHE ET HYPOTHESES
LA PROBLEMATIQUE DE RECHERCHE
LES HYPOTHESES
METHODE DE RESOLUTION DE RECHERCHE
CHAPITRE 2: DEFINITION DU CONCEPT DE TRAÇAGE DES POLYMERES LE CONCEPT DE TRAÇAGE DES MATIERES POUR LE RECYCLAGE
PROBLEMATIQUE GENERALE DU TRAÇAGE DES POLYMERES
CHOIX DES POLYMERES A TRACER
La recyclabilité des matériaux
Les limites des procédés de tri existants
La demande du marché et la disponibilité des gisements
Les polymères candidats au traçage et leurs codifications
CRITERE CHOIX DES TRACEURS FLUORESCENTS
Introduction : limites des phénomènes de fluorescence
Les contraintes industrielles
Les familles de fluorophores
CRITERES DE CHOIX DE LA SOURCE ET DU SYSTEME DE DETECTION
Les facteurs limitatifs
Les contraintes industrielles
TENUE DES PROPRIETES MECANIQUES ET DE FLUORESCENCE AVANT ET APRES VIEILLISSEMENT
TENUES DES PROPRIETES MECANIQUES AVANT ET APRES LES TESTS DE VIEILLISSEMENT
Méthode
Résultats
LA TENUE DES PROPRIETES DE FLUORESCENCE AVANT ET APRES LES TESTS DE VIEILLISSEMENT
Conditions expérimentales
Protocole d’expérience
Résultats de détection des traceurs avant et après vieillissement
Les effets dus au vieillissement
Synthèse
CONCLUSION
CHAPITRE 3: CHOIX DES CRITERES ENVIRONNEMENTAUX POUR L’EVALUATION DE LA TECHNOLOGIE DE TRAÇAGE POUR LE RECYCLAGE
PRESENTATION GENERALE DE LA METHODE D’ANALYSE DE CYCLE DE VIE
PRINCIPE DE L’ACV
LA RELATION ENTRE LES INVENTAIRES DE FLUX ET LES CATEGORIES D’IMPACT
ANALYSE DE CYCLE DE VIE DU SYSTEME ETUDIE
CONTEXTE ET OBJECTIF
DEFINITION DU CHAMP DE L’ETUDE
Description du système
Unité fonctionnelle
FRONTIERES DU SYSTEME
PRESENTATION DU SYSTEME CORRESPONDANT AU SCENARIO DE REFERENCE
DESCRIPTION DU SYSTEME
METHODOLOGIE D’EVALUATION DES IE
TYPE ET SOURCES DE DONNEES
QUALITE DES DONNEES
INVENTAIRE DE CYCLE DE VIE
PERIMETRE 1 : PRODUCTION DE POLYPROPYLENE MPP
PERIMETRE 2 : PRODUCTION DES TRACEURS
Composition des traceurs
Généralités sur les terres rares
Les fluorophores : cas du vanadate d’Yttrium dopé Europium
Hypothèses pour la modélisation des éléments constituants les 4 fluorophores testés
Données d’inventaire
PERIMETRE 3: PRODUCTION DE POLYPROPYLENE MPS (RECYCLE)
CALCUL DES IMPACTS
PROFIL ENVIRONNEMENTAL DES TRACEURS
COMPARAISON DES IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX DES TRACEURS
COMPARAISON DE LA PRODUCTION DE POLYPROPYLENE VIERGE ET DU TRACEUR T3
PROFIL ENVIRONNEMENTAL DU POLYPROPYLENE RECYCLE
Focus sur la chaine des procédés de recyclage
Focus sur le procédé de tri par fluorescence UV
COMPARAISON POLYPROPYLENE VIERGE TRACE VERSUS POLYPROPYLENE RECYCLE
Caractérisation
Score unique
ETUDE DE SENSIBILITE
Augmentation de l’impact du traceur T3 par 100
Comparaison du traceur YVO4: Eu3+ avec les modules phosphate et oxyde de terres rares
pour représenter l’extraction de l’Yttrium
CONCLUSION
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