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CHIMIE VERTE: la prochaine étape évolutive de l’industrie papetière

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Tant que la créativité restera une ressource inépuisable, la chimie verte (Green ChemisTREE) prospérera. Le domaine de la chimie verte continue de gagner en complexité, un peu comme l’arbre qui le représente, avec de solides racines déjà bien ancrées.*Quelques faits et contexte

Le niveau de pollution toujours plus élevé dans le monde (sol, air, eau) requiert une action urgente et des solutions mesurables. En combinant cette pollution à la croissance de la population à plus de 9 milliards de personnes d'ici 2050 (OCDE 2012), le problème n'est pas près d'être résolu. L'IPCC, ou Panel intergouvernemental 2018 sur les changements climatiques, une méta-étude co-écrite par plus de 130 auteurs avec plus de 6000 références scientifiques sur le réchauffement global produit par les activités humaines (approximativement 1°C de réchauffement global depuis la Révolution industrielle) prévoit que la hausse pourrait atteindre 1.5°C d'ici 2030-2050. Selon leurs estimations, il faudrait que le monde investisse 2,4 trillions$ US chaque année d'ici 2035 pour ralentir les effets du changement climatique.

Principes de chimie verte au travail

En 1995, Paul Anastas et John C. Warner ont publié une série de principes pour guider la pratique de la chimie verte (CV), formalisant ainsi une longue tradition de CV informelle. Les douze principes de la chimie verte traite de toute une gamme de façons pour réduire les impacts de la production de produits chimiques sur l'environnement et la santé en plus d'indiquer les priorités des recherches pour le développement de technologies de chimie verte (https://www.greencentrecanada.com/green-chemistry/the-12-principles-of-green-chemistry/ ). On peut les résumer ainsi : 1) minimiser la quantité de résidus, 2) économie d'atomes, 3) conception de méthodes de synthèse moins nocives, 4) conception de produits chimiques plus sécuritaires, 5) solvants et composés auxiliaires moins polluants, 6) amélioration du rendement énergétique; 7) utilisation de matières premières renouvelables, 8) réduction de la quantité de produits dérivés, 9) utilisation d'agent catalytique, 10) conception de produits qui se décomposent en sous-produits inoffensifs biodégradables, 11) Analyse en temps réel pour la prévention de la pollution, et 12) chimie à sécurité inhérente pour la prévention des accidents (https://www.compoundchem.com/2015/09/24/green-chemistry/).

La pratique des Principes a beaucoup influencé la production et les choix d'innovation. Les scientifiques canadiens se sont montrés très actifs dans ce domaine, avec 700 publications au cours des deux dernières années, écrites par les membres du Centre pour la Chimie Verte et la Catalyse (CCVC) (http://ccvc.research.mcgill.ca/home.html). Un exemple parfait est la catalyse, nécessaire dans plus de 90% des procédés chimiques industriels, ou le CCVC met au point de nouveaux outils pour la préparation de molécules (ex : procédés verts sans solvants (synthèse à l'état solide)) avec des fonctions spécifiques et étudie le destin environnemental ainsi que les effets biologiques de ces catalyseurs/réactifs lesquels sont introduits dans l'écosystème. De plus, de la recherche intensive et de l'implantation sont réalisés dans le but d'isoler ou de produire des biomolécules et bioproduits à partir de plantes/bois et de leurs dérivés (cellulose, lignine et sucres). Des publications scientifiques sont disponibles, entre autres, via le journal Green Chemistry évalué par des pairs (http://www.rsc.org/journals-books-databases/about-journals/green-chemistry/).

Un cas historique de chimie verte dans les pâtes et papiers

Vers la fin des années 70 début 80, on retrouvait des dioxines et des furannes dans les cartons de lait, et ce à des niveaux toxiques. Ce fut une crise majeure pour le procédé de mise en pâte kraft de fibres vierges puisque les molécules précurseurs devenaient plus toxiques lorsque la pâte était blanchie avec du chlore élémentaire (Cl2, HOCl, NaOCl), ex : tetrachloro dibenzofuranne (TCDF) and tetrachloro dibenzodioxine (TCDD) et autres isomères. Même s'il existe 210 isomères de ces composés chlorés, le 2,3,7,8-TCDF et le 2,3,7,8-TCDD montraient le plus haut niveau de toxicité

Dans le but de mieux saisir le problème, des scientifiques chez FPInnovations (anciennement PAPRICAN) ont mis au point des méthodes d'analyses pour déterminer la concentration de ces molécules en partie par quadrillion (ppq), leur permettant du même coup d'adapter la sécurité des procédés de fabrication. Par exemple, la limite acceptable dans les règlements du Québec sur les effluents de pâte blanchie était inférieure ou égale à 15 pg/L (exprimés par les équivalents toxiques de 2,3,7,8-TCDD)! Quelques années plus tard, ce qu'il est convenu d'appeler la « zone sans dioxine » fut identifiée. C'est ce qui décrit les conditions de blanchiment de la pâte où les concentrations de dioxines (total des TCDF et TCDD) sont acceptables. Il fallait ainsi opérer l'usine de blanchiment à un facteur Kappa avoisinant les 0,17 pour le résineux et/ou un haut ni-veau de ClO2 (ex : +55%), pour s'assurer que les dioxines et les furannes polychlorées ne se forment pas. Finalement, l'industrie des pâtes et papiers détenait la solution pour résoudre ce problème en implantant une approche de chimie verte. En date d'aujourd'hui, la vaste majorité de la pâte kraft de fibres vierges est blanchie avec du dioxyde de chlore (ex : 100% de substitution ClO2) ainsi que de l'oxygène et du peroxyde d'hydrogène. Certaines usines font appel à des procédés de blanchiment totalement sans chlore. Qui plus est, dans l'industrie du recyclage de papiers, plusieurs entreprises ont remplacé le blanchiment avec chlore élémentaire (HOCl, NaOCl) par des agents non chlorés (ex : peroxyde d'hydrogène, hydrosulfite de sodium), réduisant ainsi l'impact négatif à long terme sur la vie humaine et l'environnement.

La chimie verte : questions fréquemment posées

Maintenant, comment appliquer les 12 principes de chimie verte à l'industrie des pâtes et papiers, maintenir son activité de production principale et réduire son empreinte environnementale? Voici quelques unes des questions les plus fréquemment posées :

1) La chimie verte provient-elle seulement des arbres?
Non, la chimie verte provient de toute ressource naturelle (animaux, arbres/plantes, insectes)

2) La chimie verte est-elle toujours verte?
La chimie verte est un coffre à outil qui réduit l'impact environnemental du procédé sur lequel elle est appliquée.

3) La chimie verte exige-t-elle d'appliquer tous les 12 principes?
La meilleure pratique serait d'en utiliser le plus possible, de sorte que la solution finale génère le meilleur retour sur investissements (ROI) en termes de durabilité.

4) Parmi les 12 principes, y en a-t-il un plus important que les autres?
Cela dépend de l'application. Les objectifs vont dicter lesquels des principes sont importants.

5) Les catalyseurs sont-ils des molécules vertes?
Le catalyseur est une substance non consommée par la réaction générale; elle réduit l'énergie, accroit le rendement et fait baisser la quantité de sous-produits.

6) Les molécules naturelles renouvelables sont-elles nécessairement vertes?
En général, oui. Pourvu que le procédé global (disponibilité, extraction, production) diminue l'empreinte environnementale. En ce qui concerne la toxicité, tout est question de concentration!

7) L'ingénierie fait-elle partie de la chimie verte?
L'équivalent existe. Paul Anastas and Julie Zimmerman ont aussi élaboré les 12 principes de l'ingénierie verte (https://www.greencentrecanada.com/green-chemistry/the-12-principles-of-green-engineering/).

8) Comment peut-on s'assurer que nous sommes en présence d'une chimie ou d'un produit vert?
De préférence, le matériau brut ou matière première doit être renouvelable. Ensuite, une analyse du cycle de vie (ACV) est nécessaire mais hélas pas toujours possible parce que le processus peut être long et onéreux. De plus, lorsque l'on développe une nouvelle chimie et/ou procédé, un ACV détaillé est généralement impossible car il y a trop de facteurs inconnus.

9) Peut-on faire de l'argent avec la chimie verte?
Nous savons que la chimie verte peut être viable financièrement, mais cela peut prendre du temps et surtout de la volonté de la part de l'industrie et des consommateurs.

Quel avenir ?

Les 12 principes de chimie verte sont pratiques et constituent autant de leviers pour nourrir des stratégies d'innovation et accélérer la transformation de l'industrie.

En tant que partie prenante du processus décisionnel, il est de notre devoir de mettre le climat au centre des préoccupations de nos organisations. Il s'agit rien de moins qu'un investissement dans la durabilité de nos entreprises, et celle de l'Humanité. Il ne s'agit pas d'un sujet pour demain. Pas plus que c'est l'affaire des autres. Nous pouvons faire la différence; L'innovation durable mène à la prospérité durable.


* Source de l'image : ©2018 Royal Society of Chemistry, Anastas et al. (2018) Green Chemistry 20, 1929-1961.


 Roger Gaudreault, docteur en chimie, est détenteur d'un baccalauréat en chimie de l'Université du Québec à Chicoutimi (1986), d'une maîtrise en pâtes et papiers de l'Université du Québec à Trois-Rivières (1991), ainsi que d'un doctorat en simulation moléculaire de l'Université McGill (2003), et des études postdoctorales sous la codirection du professeur David Weitz de l'Université Harvard et du professeur Theo van de Ven de l'Université McGill (2005-2006). Depuis 2017, chercheur invité à l'Université de Montréal, il étudie l'impact de la chimie verte sur l'atténuation de la maladie d'Alzheimer.

Membre affilié au Centre en chimie verte et catalyse (CCVC) depuis juin 2011, Mr Gaudreault s'est vu décerné le prestigieux Prix canadien de la chimie verte et de l'ingénierie en 2016 (CGCEN), reconnaissant ses contributions significatives pour l'avancement dans ces domaines. Mr. Gaudreault a également été nommé « PAPTAC Fellow » en 2017 en reconnaissance de sa contribution exceptionnelle à long terme et significative à l'Association, à l'industrie des pâtes et papiers et des produits forestiers et à l'avancement de la science et de la technologie.
Mr. Gaudreault cumule plus de 30 années d'expérience au sein de l'industrie des pâtes et papiers ainsi que dans le traitement d'eau industriel et de l'énergie verte. Depuis 2018, il est membre associé du Centre québécois sur les matériaux fonctionnels (CQMF), et consultant pour un groupe de biomatériaux industriels où il développe des bioproduits à partir de bioraffinerie. Il a été vice-président R&D et Innovation chez TGWT Clean Technologies Inc (2013-2017). M. Gaudreault a également dirigé le centre de R&D de Cascades pendant 20 ans, où il a été l'instigateur de deux Consortium R&D nord-américains, et a dirigé l'équipe de développement de la stratégie d'innovation de Cascades et sa mise en œuvre.

Il fut co-président du programme technique de la conférence annuelle de l'industrie des pâtes et papiers du Canada (PaperWeek Canada 2013), président de la Journée FIBRE et du Forum de Commercialisation FIBRE (PaperWeek Canada 2013-2016), membre du conseil d'administration de l'Association pour le développement de la recherche et de l'innovation du Québec (ADRIQ) (2011-2017), et éditeur-invité de la revue scientifique phare de PAPTAC, J -FOR, pour un numéro spécial en l'honneur du professeur Theo van de Ven de McGill. Il est également membre du Comité de sélection pour les Prix Synergie pour l'innovation du CRSNG.

Durant les dernières années, M. Gaudreault a présenté de nombreuses conférences scientifiques ainsi que sur l'innovation durable à des groupes d'industriels, de gestionnaires et d'universitaires, à des organisations et associations tels les Entretiens Jacques-Cartier, le Conference Board of Canada et le Comité sénatorial permanent de l'agriculture et des forêts.


Dr. Roger Gaudreault
Chercheur invité,
Université de Montréal
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