comprendre la génération des micro- et nano-plastiques

Gustave BERTIER

Les plastiques sont omniprésents dans l’environnement. Ils s’y accumulent sous des formes variées qui résultent principalement de la combinaison d’une modification chimique du plastique par photo-oxydation et de sa fragmentation ou abrasion causée par des sollicitations mécaniques. Parmi ces formes, on retrouve des fragments solides nommés microplastiques et nanoplastiques, mais également des molécules solubles et des composés volatils. Afin de mieux déterminer leurs impacts, de plus en plus d’études sont menées pour quantifier et caractériser ces produits d’un point de vue physique et chimique. Dans cette étude, nous proposons de développer et d’utiliser des méthodes novatrices pour étudier aux échelles moléculaires, microscopiques et macroscopiques la génération des différents produits de dégradation de deux plastiques afin de quantifier d’une manière plus pertinente la cinétique de génération de ces différents produits et de proposer un scénario qui explique l’ensemble des phénomènes observés. Cette étude a été menée sur des granulés plastiques industriels de polyéthylène basse densité (PEBD) et de polybutylène adipate téréphtalate (PBAT) exposés aux UV, puis agités mécaniquement dans l’eau afin d’induire la fragmentation de la couche de surface photo-oxydée. Ceci permet de reproduire de manière contrôlée la dégradation dans l’environnement. Le PEBD a été choisi en tant que plastique conventionnel parmi les plus produits et consommés, tandis que le PBAT, réputé biodégradable, est utilisé pour le remplacer dans certaines applications. Dans un premier temps, la quantification de tous les produits de dégradation, a été effectuée via une méthode originale : le bilan du carbone total, qui porte sur un élément présent dans tout polymère organique et conservé au cours du processus de dégradation. Ceci a été réalisé en s’appuyant sur l’analyse des masses de carbone dans les produits de dégradation par analyse du carbone organique total dans les phases aqueuses et par analyse élémentaire pour les produits solides, et ce pour des temps de vieillissement de plus en plus long. Grâce à ce bilan basé sur le devenir du carbone sous différentes formes, il a été possible d’évaluer les quantités de sous-produits relargués par le polyéthylène sous forme de composés volatils (alcanes volatiles, CO2, CO, etc.) qui représente jusqu’à 12% des produits formés. Par comparaison le PBAT se dégrade très différemment du PEBD dans les conditions testées : de manière surprenante, la réticulation est prédominante, inhibant la formation et le relargage de microplastiques. Dans un deuxième temps, afin de compléter la compréhension des mécanismes, nous avons étudié, par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), l’évolution de marqueurs de photo-oxydation tels que l’indice de carbonyle sur les granulés de PEBD et avons obtenu, ajusté et interprété les profils d’oxydation au cours du temps. En parallèle, les phénomènes de fissuration et de fragmentation ont été étudiés au microscope électronique pour les deux plastiques. Enfin, les composés de taille moléculaire générés par les plastiques ont été isolés et étudiés, et des chemins de réaction chimique ont également été proposés pour l’obtention de ces composés. Ainsi, pour la première fois, les produits de dégradation du PEBD ont été caractérisés à différentes échelles, du macroscopique au moléculaire. Ces résultats nous permettent de proposer un scénario complet pour le comportement de dégradation des deux plastiques, et d’en déduire de potentielles conséquences sur les rejets de plastiques dans l’environnement.