Adieu aux décharges technologiques : des scientifiques développent une méthode pour transformer les déchets industriels en graphène par feu solide, une réaction ultrarapide qui convertit des tonnes de déchets composites en matériaux de grande valeur en quelques secondes

Chaque fois qu’un avion décolle ou qu’une pale d’éolienne tourne, une partie de l’histoire est moins visible. En fin de vie, ces matériaux légers et très résistants deviennent des déchets difficiles à gérer. Et nous ne parlons pas de peu. Une nouvelle étude estime que les déchets de composites de fibres de carbone contenant de la résine époxy pourraient atteindre environ 478 000 tonnes d'ici 2050 si nous ne modifions pas la façon dont nous les traitons.

Avec ce panorama, la question s'impose. Que faire de ces montagnes de restes noirs qui ne se dégradent pas et qui ne servent plus à voler ni à produire de l’électricité ?

Une équipe du Harbin Institute of Technology en Chine propose une alternative inhabituelle. Au lieu de récupérer la fibre « la plus proche possible de la vierge », ils s’engagent à transformer ces déchets en matériaux encore plus valorisés. C’est ce qu’on appelle le suprarecyclage, ou upcycling. Son outil principal porte le nom frappant de « flammes solides » qui transforment en quelques secondes les déchets de fibres de carbone en fibres recouvertes de graphène et en poudres de graphène.

Un déchet très technique et très inconfortable

Les composites en fibre de carbone avec résine époxy ont conquis des secteurs tels que l'aviation et l'énergie éolienne car ils sont légers et durent des décennies. Cette même durabilité devient un problème lorsqu’ils atteignent la fin de leur durée de vie utile. Les pièces de garniture, les préimprégnés périmés et les pièces entières retirées du service forment un flux de déchets qui ne peut pas simplement être brûlé ou enterré. Dans certains pays, l'incinération et la mise en décharge ont déjà été limitées en raison de leur impact environnemental.

Les options actuelles ne sont pas idéales. Le broyage mécanique permet de réutiliser le matériau comme charge, mais dans des applications à faible valeur ajoutée. Les méthodes chimiques récupèrent les fibres presque comme neuves, même si elles dépendent de réactifs toxiques et de processus lents. Les traitements thermiques nécessitent plusieurs heures entre 400 et 1 000 degrés, avec beaucoup de consommation d'énergie et une perte de qualité de la fibre recyclée.

Bref, on recycle, oui, mais souvent pour obtenir quelque chose de pire que l'original. Et cela décourage l’industrie.

Comment fonctionne la « flamme solide »

Les travaux publiés dans Nature Communications décrivent un protocole basé sur une technique connue sous le nom de synthèse à haute température auto-propagée. En termes simples, il s’agit d’une réaction qui, une fois activée, s’alimente grâce aux solides qui réagissent les uns avec les autres.

Le processus comporte quatre étapes de base. Tout d’abord, les déchets de fibres de carbone sont mélangés à des poudres de carbonate de magnésium et de calcium. Ce mélange est placé dans un creuset en graphite à l'intérieur d'un récipient sous vide. Ensuite, une seule impulsion électrique est appliquée, suffisante pour déclencher la réaction. De là, la combustion se propage à travers le mélange sous la forme d’une « flamme solide », atteignant des températures de l’ordre de milliers de degrés pendant des microsecondes.

La réaction principale entre le magnésium et le carbonate de calcium génère des oxydes de magnésium et de calcium et du carbone sous forme de graphène. Dans le même temps, le magnésium aide à rompre les liaisons entre le carbone et l’oxygène dans la résine époxy et encourage les atomes de carbone à se lier à nouveau. Une partie de ce carbone se développe sous forme de flocons de graphène attachés directement à la surface de la fibre. Le reste est organisé en poudres de graphène à quelques couches.

Après combustion, un bain acide élimine les oxydes métalliques et un tamisage sépare les fibres greffées en graphène des poudres de graphène. L’ensemble de l’étape de recyclage se déroule en quelques secondes, avec une énergie d’allumage d’environ 0,009 kilojoules par gramme, bien inférieure aux autres méthodes électriques intensives.

Moins d'énergie, moins de CO₂ et des produits à haute valeur ajoutée

C’est là qu’intervient le volet climatique et économique de toute politique de déchets. L'équipe effectue une analyse du cycle de vie qui compare trois scénarios de gestion d'un kilo de déchets de fibre de carbone avec une teneur moyenne en résine de 25 % : recyclage à la flamme solide, recyclage thermique et incinération.

En termes d'énergie accumulée, la fabrication de fibres de carbone vierges nécessite entre 183 et 286 mégajoules par kilo, tandis que le nouveau procédé nécessite environ 10,8 mégajoules par kilo de déchets traités. En termes de potentiel de réchauffement climatique, le surcyclage à l’aide de flammes solides s’élève à environ 2,1 kilos d’équivalent CO₂ par kilo de déchets, contre 3,4 kilos d’équivalent CO₂ par kilo dans les scénarios de recyclage thermique et d’incinération.

De plus, les auteurs comparent la production de graphène par flammes solides avec des méthodes courantes telles que le procédé Hummers ou le dépôt chimique en phase vapeur. Leurs calculs indiquent que cette voie génère moins d’impact tant sur l’énergie que sur les émissions de gaz à effet de serre. Même les saumures usagées contenant des chlorures de magnésium et de calcium peuvent être recyclées dans d'autres processus industriels, réduisant ainsi davantage la charge environnementale.

Le volet économique n’est pas en reste non plus. L’étude estime que si seul le graphène est produit avec cette technique, le coût est d’environ 17,11 dollars le kilo. Lorsque des déchets de fibres de carbone sont incorporés et que des fibres greffées et du graphène sont obtenues en même temps, le coût global tombe à environ 8,68 dollars par kilo de produit. Si les fibres greffées sont vendues à des prix similaires à ceux de la fibre recyclée, environ 15 dollars le kilo, le graphène peut être rentable même avec un prix de vente d'environ 11,62 dollars le kilo, compétitif par rapport à certaines poudres de graphite commerciales.

A quoi servent ces nouvelles fibres et le graphène ?

Les chercheurs ne s’arrêtent pas à la théorie. Ils utilisent les fibres greffées pour renforcer les matériaux en graphite. À une fraction pondérale de 10 pour cent, la résistance à la flexion du composite résultant augmente d'environ 25 mégapascals dans le graphite non renforcé à environ 107 mégapascals, une augmentation qui fait plus que quadrupler la capacité portante.

En parallèle, ils caractérisent les poudres de graphène. Ils ont une conductivité électrique élevée et une structure poreuse avec une surface spécifique d'environ 130 mètres carrés par gramme. Lorsqu'il est compacté dans une plaque, il est capable de bloquer plus de 99,95 % du rayonnement électromagnétique à certaines fréquences micro-ondes, un comportement que les auteurs considèrent comme prometteur pour les applications de protection contre les interférences électromagnétiques.

Ce que cela signifie en pratique

Pour le moment, nous ne verrons pas d’usines municipales lancer des « flammes solides » sur les déchets. Il s’agit d’une preuve de concept avancée, conçue pour le domaine industriel, qui doit encore être mise à l’échelle et adaptée aux réglementations en matière de sécurité et de gestion des déchets. Pourtant, le message sous-jacent est clair. Les déchets complexes tels que la fibre de carbone mélangée à de la résine époxy peuvent être traités de manière à économiser de l'énergie, à réduire les émissions par rapport aux options habituelles et à générer des produits ayant un réel marché dans des secteurs tels que les matériaux avancés et l'électronique.

Dans un contexte où l’aviation et l’énergie éolienne sont présentées comme des piliers de la transition écologique, boucler la boucle de ses propres déchets n’est pas un détail. Ce n'est pas rien.

L'étude complète a été publiée dans la revue Communications naturelles.

L'entrée Adieu aux décharges technologiques : des scientifiques développent une méthode pour transformer les déchets industriels en graphène avec un feu solide, une réaction ultrarapide qui convertit des tonnes de déchets composites en matériaux de grande valeur en quelques secondes, a été publiée pour la première fois sur ECOticias.com.