19 : Valorisation des déchets de l’Environnement de l’Homme

# 19 : Valorisation des déchets de l’Environnement de l’Homme ## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À l’issue de ce chapitre, l’élève sera capable de : - Expliquer les principes de la valorisation des déchets selon leur nature (papier, plastique) ; - Décrire les procédés de recyclage du papier en serviettes jetables, papier hygiénique, papier cadeau et production d’énergie ; - Décrire les procédés de recyclage du plastique en bouteilles recyclées et en pavés ; - Analyser les avantages environnementaux, économiques et sociaux de la valorisation des déchets ; - Réaliser des schémas de procédés et résoudre des exercices d’application liés au recyclage ; - Intégrer les connaissances dans une démarche de développement durable appliquée à l’environnement de l’homme. **Prérequis** : Notions de chimie organique (polymères, cellulose), de physique (transfert de chaleur, mécanismes de transformation), de biologie (dégradation naturelle), et de sciences de l’environnement (cycle des matières, pollution, gestion des déchets). --- ## Introduction La valorisation des déchets constitue une réponse essentielle aux défis environnementaux liés à la surconsommation et à l’accumulation des déchets solides. Au Cameroun, comme dans de nombreux pays en développement, la gestion inadéquate des déchets papiers et plastiques engendre des pollutions des sols, des eaux et de l’air, avec des impacts sur la santé publique et la biodiversité. Ce chapitre s’inscrit dans une logique d’économie circulaire : transformer ce qui est considéré comme un déchet en ressource utile. Il s’appuie sur des procédés techniques accessibles, souvent mis en œuvre dans des unités artisanales ou semi-industrielles, permettant de réduire l’empreinte écologique tout en créant des opportunités économiques. Les séances 95 à 98, accompagnées des TP N°27 et N°28, visent à faire comprendre aux élèves comment, par des transformations physiques et chimiques maîtrisées, le papier et le plastique usagés peuvent devenir des produits de consommation courante (serviettes, papier hygiénique, papier cadeau, bouteilles, pavés) ou des sources d’énergie, tout en évaluant les avantages globaux de telles pratiques. --- ## I. Séance 95 : Apprentissage de l’intégration CA 19 Cette séance vise à introduire la compétence d’attente (CA) 19 du programme de sciences en Terminale : *« Analyser et proposer des solutions pour la valorisation des déchets de l’environnement de l’homme »*. L’intégration de cette CA implique une approche systémique : comprendre l’origine des déchets, leurs propriétés matérielles, les procédés de transformation possibles, et les impacts de leur valorisation. ### Définition de la valorisation des déchets > La valorisation des déchets est l’ensemble des procédés permettant de transformer des déchets en produits, matériaux ou substances d’usage utile, soit par recyclage, soit par récupération d’énergie, afin d’éviter leur élimination pure et simple. Cette définition exclut la simple élimination (décharge, incinération sans récupération) et inclut deux voies principales : le **recyclage matière** (transformation en nouveaux produits) et la **valorisation énergétique** (production de chaleur ou d’électricité). ### Propriétés des déchets papier et plastique pertinentes à la valorisation - **Papier** : composé principalement de cellulose (polymère de glucose), fibres végétales, souvent chargé de charges minérales (argile, carbonate de calcium) et d’additifs (colorants, liants). Il est biodégradable, hydrophile, et peut être repulpé. - **Plastique** : polymères synthétiques (PE, PP, PET, PS, PVC) dérivés du pétrole, hydrophobes, résistants à la dégradation, mais fondables ou solubilisés sous certaines conditions. ### Exemple résolu : Évaluation du potentiel de valorisation d’un déchet papier Un lot de 100 kg de papiers de bureau usagés contient 85 kg de cellulose récupérable (après dé-encrage et élimination des charges). Si ce papier est recyclé en serviettes jetables, et que 1 kg de cellulose permet de produire 0,8 kg de serviettes (rendement du procédé), quelle quantité de serviettes peut-on obtenir ? **Solution** : Cellulose utilisable = 100 kg × 0,85 = 85 kg Serviettes produites = 85 kg × 0,8 kg/kg = 68 kg Réponse : 68 kg de serviettes jetables peuvent être produites. ### Exercice d’application corrigé Un centre de tri collecte 200 kg de journaux usagés par jour. Après traitement, le rendement en cellulose pure est de 80 %. Si cette cellulose est utilisée pour fabriquer du papier hygiénique avec un rendement de 0,75 kg de produit fini par kg de cellulose, quelle est la production quotidienne de papier hygiénique ? **Solution** : Cellulose récupérée = 200 kg × 0,80 = 160 kg Papier hygiénique produit = 160 kg × 0,75 = 120 kg/jour Réponse : 120 kg de papier hygiénique par jour. > À retenir : Le rendement global d’un procédé de valorisation est le produit des rendements de chaque étape (tri, nettoyage, transformation). --- ## II. Séance 96 : Valorisation des déchets papiers : Production des serviettes jetables, papier cadeau, papier hygiénique et de l’énergie Cette séance détaille les filières de valorisation du papier usagé, en mettant l’accent sur les produits finis courants et la production d’énergie par voie thermique ou biologique. ### Filière de recyclage du papier Le recyclage du papier suit généralement ces étapes : 1. **Collecte et tri** : séparation des papiers selon leur qualité (journaux, bureaux, emballages). 2. **Broyage et pulpage** : les papiers sont mélangés à de l’eau pour former une pâte (pulpe). 3. **Dé-encrage** : suppression des encres et colles par flottation ou lavage (utilisation de surfactants, air insufflé). 4. **Épuration** : retrait des charges, agrafes, plastiques par tamisage et nettoyage. 5. **Refinage** : amélioration de la qualité des fibres par traitement mécanique. 6. **Formation de la feuille** : la pulpe est étalée, pressée et séchée pour former du papier neuf. 7. **Finition** : selon l’usage (serviettes, papier hygiénique, cadeau), ajout de traits spécifiques (gaufrage, parfum, coloration). ### Production de serviettes jetables > Les serviettes jetables sont produites à partir de pâte de papier recyclé, souvent mélangée à de la pâte vierge pour améliorer la résistance et l’absorbance. Elles sont généralement gaufrées pour augmenter le volume et la capacité d’absorption. **Exemple résolu** : Une usine utilise 60 % de pâte recyclée et 40 % de pâte vierge pour produire des serviettes. Si elle traite 500 kg de pâte totale par jour, quelle quantité de pâte recyclée utilise-t-elle ? **Solution** : Pâte recyclée = 500 kg × 0,60 = 300 kg/jour Réponse : 300 kg de pâte recyclée par jour. ### Production de papier hygiénique > Le papier hygiénique nécessite une pâte très douce, souvent obtenue par raffinage poussé de la cellulose recyclée, avec ajout éventuel de agents adoucissants (glycérine, lanoline) et de parfum. **Exemple résolu** : Pour produire 1 kg de papier hygiénique doux, il faut 1,2 kg de pâte recyclée raffinée (à cause des pertes lors du raffinage et de l’ajout d’additifs). Quelle quantité de pâte recyclée est nécessaire pour produire 50 kg de papier hygiénique ? **Solution** : Pâte nécessaire = 50 kg × 1,2 = 60 kg Réponse : 60 kg de pâte recyclée. ### Production de papier cadeau > Le papier cadeau est souvent fabriqué à partir de pâte recyclée blanchie ou colorée, avec ajout de revêtements (vernis, métallisation) pour l’aspect brillant. Cependant, ces traitements peuvent réduire sa recyclabilité ultérieure. ### Valorisation énergétique des déchets papiers Lorsque le papier ne peut plus être recyclé (fibres trop courtes, contamination), il peut être utilisé comme combustible. > La valorisation énergétique consiste à brûler les déchets papiers dans des incinérateurs équipés de récupérateurs de chaleur pour produire de la vapeur, qui actionne une turbine pour générer de l’électricité, ou directement de la chaleur pour des procédés industriels. **Exemple résolu** : Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) du papier sec est d’environ 15 MJ/kg. Une usine brûle 2 tonnes de papiers usagés par jour. Quelle énergie thermique est produite quotidiennement ? **Solution** : Énergie = 2000 kg × 15 MJ/kg = 30 000 MJ/jour Puisque 1 kWh = 3,6 MJ, Énergie en kWh = 30 000 / 3,6 ≈ 8333 kWh/jour Réponse : Environ 8333 kWh d’énergie thermique par jour. > À retenir : Le PCI du papier est comparable à celui du bois sec ; sa valorisation énergétique est pertinente quand le recyclage matière n’est plus viable. ### Exercice d’application corrigé Une scierie produit 1,5 tonne de rebuts de papier par semaine. Si ces rebuts sont utilisés en valorisation énergétique avec un PCI de 14 MJ/kg, quelle est l’énergie hebdomadaire récupérable en kWh ? **Solution** : Masse = 1500 kg Énergie = 1500 × 14 = 21 000 MJ En kWh : 21 000 / 3,6 = 5833,33 kWh Réponse : 5833 kWh (environ) par semaine. --- ## III. TP N°27 : Recyclage du papier en serviettes jetables, en papier hygiénique, en papier cadeau Ce travail pratique permet aux élèves de mettre en œuvre, à petite échelle, les étapes du recyclage du papier. ### Objectif du TP Réaliser, à partir de papiers usagés (journaux, feuilles de bureau), des feuilles de papier recyclé pouvant être utilisées comme serviettes jetables, papier hygiénique simplifié ou papier cadeau, et observer l’influence des paramètres de traitement sur la qualité du produit. ### Matériel - Papiers usagés (non plastifiés) - Eau chaude - Mixeur ou mortier - Tamis fin (grillage ou tissu) - Éponge ou chiffon absorbant - Plaque de verre ou de plastique lisse - Rouleau à pâtisserie ou bouteille en verre - Chauffe-plat ou fer à repasser (pour séchage) - Colorants alimentaires (optionnel, pour papier cadeau) - Pétrole ou glycérine (optionnel, pour adoucir) ### Protocole 1. **Préparation de la pulpe** : Déchirer 50 g de papier en petits morceaux, les faire tremper dans 500 ml d’eau chaude pendant 30 min. Broyer au mixeur jusqu’à obtenir une pâte homogène. 2. **Formation de la feuille** : Verser la pulpe sur un tamis immergé dans une cuve d’eau. Égaliser la couche avec les doigts. Soulever lentement le tamis pour laisser égoutter l’eau. 3. **Pressage** : Placer la feuille sur un chiffon absorbant, couvrir d’un autre chiffon, et presser avec une éponge ou un rouleau pour éliminer l’excès d’eau. 4. **Séchage** : Détacher délicatement la feuille du tamis, la placer sur une plaque lisse, et sécher à l’air libre ou avec un fer à repasser (à travers un chiffon). 5. **Finition** : - Pour serviettes : gaufrer légèrement avec un motif en relief (à l’aide d’un objet texturé). - Pour papier hygiénique : ajouter quelques gouttes de glycérine à la pulpe avant formation. - Pour papier cadeau : ajouter un colorant alimentaire à la pulpe, ou vernir la feuille sèche avec un mélange de colle diluée. ### Observations attendues - La feuille obtenue est plus épaisse et moins uniforme que le papier industriel. - La résistance augmente avec le degré de raffinage (temps de mixage). - L’ajout de glycérine améliore la souplesse (papier hygiénique simulé). - Le colorant donne une teinte uniforme (papier cadeau). - La feuille sèche est fragile si mal pressée ou mal séchée. ### Exercice d’application corrigé Lors du TP, un groupe utilise 40 g de papier journal pour produire une feuille de papier recyclé. Après séchage, la feuille pèse 35 g. Quel est le rendement de matière sèche du procédé ? **Solution** : Rendement = (masse sèche finale / masse initiale de papier) × 100 = (35 g / 40 g) × 100 = 87,5 % Réponse : 87,5 % > À retenir : Les pertes lors du recyclage artisanal proviennent principalement de l’eau retenue et des fibres perdues lors du tamisage et du pressage. --- ## IV. Séance 97 : Valorisation des déchets plastiques et avantages de la valorisation des déchets (suite et fin) Cette séance traite du recyclage des plastiques, de ses limites, et synthétise les avantages multidimensionnels de la valorisation des déchets. ### Filières de recyclage du plastique Contrairement au papier, le plastique ne se « repulpe » pas. Son recyclage repose sur la fusion et la reformation. > Le recyclage mécanique des plastiques consiste à trier, nettoyer, broyer, fondre et reformer les polymères en nouveaux objets, sans modification chimique de la chaîne moléculaire. ### Étapes du recyclage mécanique du plastique 1. **Tri par type de polymère** : identification (PE, PP, PET, PS, PVC) par flottation, spectroscopie ou marquage. 2. **Nettoyage** : lavage pour éliminer les résidus organiques, étiquettes, colles. 3. **Broyage** : réduction en paillettes ou granulés. 4. **Fusion et extrusion** : chauffage à la température de fusion du polymère, puis extrusion en fils ou en plaques. 5. **Reformage** : injection, soufflage ou calandrage pour produire de nouveaux objets. ### Exemple résolu : Identification d’un plastique Un déchet plastique flotte dans l’eau mais coule dans une solution de chlorure de sodium saturée (densité ~1,2 g/cm³). Quel est probablement son polymère ? **Solution** : - Flotte dans l’eau (ρ < 1 g/cm³) → PE ou PP (ρ ≈ 0,90–0,95 g/cm³) - Coule dans NaCl saturé (ρ > 1,2 g/cm³) → exclut les plastiques plus légers Mais attente : si il flotte dans l’eau, ρ < 1 ; s’il coule dans NaCl saturé (ρ > 1,2), alors 1 < ρ < 1,2 → cela correspond au PET (ρ ≈ 1,3–1,4) ? Contradiction. En réalité : - PET : ρ ≈ 1,38 → coule dans l’eau et dans NaCl saturé - PE : ρ ≈ 0,92–0,97 → flotte dans les deux - PVC : ρ ≈ 1,3–1,45 → coule dans l’eau Donc : flotte dans l’eau → PE ou PP ; coule dans NaCl saturé → impossible pour PE/PP car ils flottent aussi dans NaCl saturé (ρ < 1,2). Donc l’énoncé est faux : un plastique qui flotte dans l’eau flotte aussi dans NaCl saturé si ρ < 1,2. Correction : un plastique qui **coule** dans l’eau mais **flotte** dans NaCl saturé serait entre 1 et 1,2 → pas courant. Réponse réaliste : si il flotte dans l’eau et dans une solution de sel modérée (ex. eau salée 10 %), c’est probablement PE ou PP. Mais pour éviter l’erreur : > Un déchet plastique qui flotte dans l’eau et dans une solution de chlorure de sodium à 10 % (ρ ≈ 1,07 g/cm³) est probablement du PE ou du PP. **Exemple corrigé** : Un déchet plastique flotte dans l’eau pure et dans une solution de NaCl à 10 %. Quelle est la famille de polymères la plus probable ? **Solution** : Flotte dans l’eau → ρ < 1,00 g/cm³ Flotte dans NaCl à 10 % → ρ < 1,07 g/cm³ Donc ρ < 1,00 g/cm³ → PE ou PP (ρ ≈ 0,90–0,97) Réponse : Polyéthylène (PE) ou polypropylène (PP). ### Transformation des déchets plastiques en bouteilles recyclées > Le PET (polyéthylène téréphtalate) des bouteilles d’eau peut être recyclé en nouvelles bouteilles après dépolymérisation légère ou directement en flocons pour extrusion, sous réserve de décontamination rigoureuse (lavage, séchage, parfois dépolymérisation-répolymérisation pour usage alimentaire). **Exemple résolu** : Une usine recycle 1,2 tonne de bouteilles PET usagées par jour. Après lavage et broyage, le rendement en flocons purs est de 85 %. Ces flocons sont ensuite extrudés en nouvelles bouteilles avec un rendement de 90 %. Quelle est la production quotidienne de bouteilles recyclées en masse ? **Solution** : Flocons purs = 1200 kg × 0,85 = 1020 kg Bouteilles produites = 1020 kg × 0,90 = 918 kg/jour Réponse : 918 kg de bouteilles recyclées par jour. ### Transformation des déchets plastiques en pavés > Les déchets plastiques mélangés (PE, PP, PS) peuvent être fondus et mélangés à du sable ou de la latérite pour produire des pavés de voirie, résistants à l’eau et aux racines. **Exemple résolu** : Pour produire un pavé de 5 kg, on utilise un mélange de 80 % de plastique fondu et 20 % de sable. Quelle masse de plastique est nécessaire pour produire 50 pavés ? **Solution** : Plastique par pavé = 5 kg × 0,80 = 4 kg Pour 50 pavés : 50 × 4 kg = 200 kg Réponse : 200 kg de plastique. ### Avantages de la valorisation des déchets > La valorisation des déchets présente des avantages environnementaux, économiques et sociaux. #### Environnementaux - Réduction de l’extraction de ressources vierges (bois pour le papier, pétrole pour le plastique). - Diminution des émissions de GES liées à la production primaire et à la décomposition en décharge (méthane). - Moins de pollution des sols, eaux et océans (moins de déchets sauvages). - Préservation de la biodiversité (moins de dégradation d’habitats). #### Économiques - Création d’emplois dans la collecte, le tri, le traitement et la vente de produits recyclés. - Réduction des coûts de gestion des déchets pour les collectivités. - Génération de revenus par la vente de matières premières secondaires ou d’énergie. - Développement de petites industries locales (artisanat du recyclage). #### Sociaux - Amélioration du cadre de vie (moins de dépotoirs, moins d’odeurs). - Sensibilisation à l’environnement et à la citoyenneté. - Promotion de l’économie solidaire et de l’innovation locale. - Réduction des inégalités par l’accès à des produits abordables (serviettes, pavés). > À retenir : La valorisation des déchets est un pilier du développement durable, conciliant protection de l’environnement, efficacité économique et équité sociale. ### Exercice d’application corrigé Une commune produit 5 tonnes de déchets plastiques par mois. Si 60 % sont valorisés en pavés (avec un rendement matière de 75 % plastique dans le pavé final), quelle est la masse mensuelle de plastiques effectivement incorporés dans les pavés ? **Solution** : Plastiques valorisés = 5000 kg × 0,60 = 3000 kg Plastiques dans les pavés = 3000 kg × 0,75 = 2250 kg Réponse : 2250 kg de plastique incorporés dans les pavés par mois. --- ## V. Séance 98 : Apprentissage de l’intégration CA 20 Cette séance conclut le chapitre en intégrant la compétence d’attente 20 : *« Évaluer l’impact des choix technologiques et sociétaux sur l’environnement de l’homme »*, en lien avec la valorisation des déchets. ### Définition de l’intégration CA 20 > L’intégration de la CA 20 consiste à analyser, à partir de données ou de scénarios, les conséquences positives ou négatives d’une innovation technique, d’une pratique sociale ou d’une politique publique sur l’environnement, la santé et la qualité de vie, en considérant les échelles locales et globales. ### Application à la valorisation des déchets On évalue ici la valorisation des papiers et plastiques sous l’angle de la CA 20. #### Critères d’évaluation - **Efficacité matière et énergie** : ratio entre ressources économisées et énergie consommée dans le procédé de valorisation. - **Impact sur les déchets ultimes** : réduction du volume envoyé en décharge ou incinéré sans récupération. - **Acceptabilité sociale** : perception par les populations, facilité d’adoption des gestes de tri. - **Viabilité économique** : coût de mise en place vs bénéfices (vente de produits, économies d’achat de matières premières). - **Équité territoriale** : accessibilité des unités de valorisation dans les zones rurales et urbaines. ### Exemple résolu : Évaluation d’un projet de recyclage papier en milieu rural Un projet propose d’installer une unité de recyclage du papier servant à produire des serviettes jetables pour les écoles d’un département. L’unité consomme 5 kWh d’électricité par jour et traite 100 kg de papier/jour. Le papier vierge aurait nécessité 4 kWh/kg pour sa production (extraction, fabrication). L’électricité provient d’un réseau à 50 % renouvelable. **Solution** : Énergie économisée par non-production de papier vierge = 100 kg × 4 kWh/kg = 400 kWh/jour Énergie consommée par l’unité = 5 kWh/jour Énergie nette économisée = 400 – 5 = 395 kWh/jour Puisque l’électricité est à 50 % renouvelable, l’impact carbone évité est significatif. Réponse : L’unité permet une économie nette d’énergie de 395 kWh/jour, avec un impact environnemental positif net. ### Exercice d’application corrigé Une unité de transformation de déchets plastiques en pavés consomme 8 kWh pour produire 10 kg de pavés. La production primaire de pavés en béton consomme 50 kWh/kg. Quelle est l’économie d’énergie réalisée par kg de pavé produit à partir de plastique recyclé ? **Solution** : Énergie pour 10 kg de pavés recyclés = 8 kWh → par kg = 0,8 kWh/kg Énergie pour 1 kg de pavé béton = 50 kWh/kg Économie = 50 – 0,8 = 49,2 kWh/kg Réponse : 49,2 kWh d’énergie économisés par kg de pavé. > À retenir : La valorisation des déchets permet souvent des économies d’énergie considérables par rapport à la production primaire, même en tenant compte de l’énergie du procédé de recyclage. --- ## Synthèse du chapitre - La valorisation des déchets transforme des matières usagées en ressources utiles par recyclage matière ou récupération d’énergie. - Le papier, riche en cellulose, peut être recyclé en serviettes, papier hygiénique, papier cadeau, ou utilisé comme combustible. - Le plastique, sous forme de polymères thermoplastiques, peut être mécaniquement recyclé en nouveaux objets (bouteilles, pavés) après tri, nettoyage, broyage et extrusion. - Les procédés de valorisation impliquent des étapes de tri, nettoyage, transformation et parfois de finition, avec des rendements à optimiser. - La valorisation des déchets présente des avantages environnementaux (réduction de la pollution, préservation des ressources), économiques (création d’emplois, réduction des coûts) et sociaux (amélioration du cadre de vie, sensibilisation). - L’intégration des CA 19 et 20 permet d’analyser les solutions de valorisation sous un angle systémique et d’évaluer leur impact global sur l’environnement de l’homme. - Les TP N°27 et N°28 offrent une approche expérimentale pour comprendre les contraintes et les possibilités du recyclage artisanal. ## Glossaire > **Valorisation des déchets** : Ensemble des procédés permettant de transformer des déchets en produits, matériaux ou énergie d’usage utile. > **Recyclage mécanique** : Procédé de transformation des déchets plastiques par tri, nettoyage, broyage, fusion et reformage sans modification chimique du polymère. > **Cellulose** : Polymère de glucose constituant la principale fibre du papier, récupérable lors du recyclage. > **Pouvoir calorifique inférieur (PCI)** : Quantité d’énergie libérée par la combustion complète d’un kilogramme de matière sèche, exprimée en MJ/kg. > **Dé-encrage** : Étape du recyclage du papier visant à éliminer les encres, colles et autres contaminants de la pulpe. > **Flocons de plastique** : Petits morceaux obtenus par broyage des déchets plastiques, utilisés comme matière première dans l’extrusion. > **Pavé plastique** : Élément de voirie fabriqué par fusion de déchets plastiques mélangés à du sable ou de la latérite. > **Rendement matière** : Rapport entre la masse de produit utile obtenue et la masse de matière première entrée dans le procédé, exprimé en pourcentage ou en fraction. > **Économie circulaire** : Modèle économique visant à minimiser les déchets et à faire ressortir la valeur maximale des produits, des matériaux et des ressources en les maintenant dans le cycle d’utilisation le plus longtemps possible. > **Pollution par les plastiques** : Accumulation de déchets plastiques dans l’environnement, notamment les océans, entraînant des risques pour la faune et la flore. > **Énergie grise** : Énergie consommée lors de l’extraction, de la production, du transport et de l’élimination d’un produit ou d’un matériau. > **Tri sélectif** : Séparation des déchets à la source selon leur nature (papier, plastique, verre, organique) pour faciliter leur recyclage. --- *Fin du cours de référence pour le chapitre « 19 : Valorisation des déchets de l’Environnement de l’Homme » – Niveau Terminale – Série Sciences – Système éducatif camerounais francophone.*