La transition écologique en chimie analytique : vers une évaluation multicritère basée sur l’analyse du cycle de vie

The ecological transition in analytical chemistry : towards a multi-criteria assessment based on life cycle assessment

• Auteur / Autrice : Bastien Raccary
• Direction : Guido W. Sonnemann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie Analytique et Environnementale
• Date : Soutenance le 27/09/2023
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences chimiques (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences Moléculaires (Bordeaux)
• Jury : Président / Présidente : Carlo Bicchi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuelle Bichon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne Perwuelz, Miguel de la Guardia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Environnement

Chimie analytique

Chimie verte

Analyse du cycle de vie

Mots clés libres

Analyse du cycle de vie

Chimie analytique

Chimie analytique verte

Impacts environnementaux

Risk assessment

Résilience

Life cycle assessment

Analytical Chemistry

Green analytical chemistry

Environmental impacts

Risk-assessment

Sustainability

Résumé

En octobre 2020, un rapport de la Commission européenne a montré que 90% des Européen·nes s'inquiètent des impacts des produits chimiques sur l'environnement. La méfiance de l'opinion publique, les préoccupations croissantes concernant la diminution des matières premières et des ressources énergétiques ainsi que la pollution environnementale croissante ont conduit la communauté des chimistes à passer d'une approche axée sur le rendement à une vision qui s’orientant vers le développement durable. La chimie analytique, au coeur du processus d’élaboration d’un produit industriel, s’est également penchée sur cette vision à travers la chimie analytique verte. A travers les 12 principes de la chimie analytique verte, mais également d’outils permettant d’attribuer des scores de durabilité aux méthodes analytiques, les chimistes analyticien·nes tentent de réduire leur empreinte environnementale. Cependant aucun de ces outils n’évalue quantitativement les impacts environnementaux tout au long du cycle de vie d’une méthode. L'analyse du cycle de vie (ACV) est un outil d'évaluation environnementale reconnu encadré par les normes ISO 14040/44, visant généralement à prévenir les impacts sur trois aires de protection : la santé des écosystèmes, la santé humaine, et les ressources naturelles. L’ACV peut constituer une alternative complémentaire aux outils précédemment publiés, cependant elle n’a jamais été appliquée au secteur de la chimie analytique. Cette thèse a pour objectif d’évaluer l’intérêt de l’ACV par rapport aux outils d’évaluation précédemment évoqués et de l’appliquer au secteur de la chimie analytique en évaluant les opportunités mais aussi les limites d’une telle approche. D’une manière générale, deux thèmes sous-jacents sont inclus dans cet objectif : améliorer et permettre la quantification des impacts environnementaux dans le secteur de la chimie analytique, et démocratiser l’approche ACV auprès des opérateur·ices de chimie analytique à travers le développement d’un outil simple d’utilisation. Nous étudions d’abord les outils d’évaluation environnementale spécifiques à la chimie analytique en les confrontant à un cadre inspiré de l’ACV. Cette étude permet d’étudier les éléments et méthodes de calcul utilisés par ces outils afin de dégager l’apport que pourrait présenter l’application de l’ACV dans le secteur. Ensuite, nous appliquons l’ACV à deux préparations d’échantillon afin de comparer leurs impacts environnementaux respectifs et d’établir la pertinence et la faisabilité de l’analyse comparative dans le cadre de la chimie analytique. L’ACV est ensuite appliquée à une méthode d’analyse complète, suivant deux scenarii : un scénario « business-as-usual » considérant des paramètres analytiques « classiques » observés en laboratoire, et un scénario « eco-design » présentant des caractéristiques optimisées telles que des durées de vie instrumentales allongées, des durées d’analyse réduites, etc. Cette étude permet d’évaluer la capacité de l’ACV à quantifier l’influence de prises de décision au sein du iii laboratoire sur les impacts environnementaux de ce dernier. Suite à ces travaux, un prototype d’outil multicritères applicable à des méthodes d’analyse est proposé. Le détail des entrées et sorties de l’outil, ainsi que sa structure générale sont présentés et des perspectives d’amélioration sont proposées. Enfin, si l’ACV permet une approche impacts, une approche risques se révèle nécessaire afin d’éviter ou mieux anticiper les effets des aléas climatiques. Le laboratoire est en effet un système à part entière, et le déséquilibre d’un de ses éléments peut avoir une répercussion sur l’ensemble de l’activité. Cette approche risques est discutée et des ouvertures et pistes d’avancement sont établies.

In October 2020, a report by the European Commission revealed that 90% of Europeans are concerned about the environmental impacts of chemical products. The increasing public mistrust, worries over diminishing raw materials and energy resources, and escalating environmental pollution have driven the chemistry community to shift from a productivityfocused approach to a vision geared towards sustainability. Analytical chemistry, which lies at the heart of industrial product development, has also embraced this vision through the concept of Green Analytical Chemistry. By adopting the 12 principles of Green Analytical Chemistry and using tools to assess the sustainability of analytical methods, analytical chemists seek to reduce their environmental footprint. However, none of these tools quantitatively assess the environmental impacts throughout the entire lifecycle of a method. Life Cycle Assessment (LCA) is a recognized environmental evaluation tool framed by ISO 14040/44 standards, aimed at preventing impacts on three protection areas: ecosystem health, human health, and natural resources. LCA offers a complementary alternative to the previously published tools, though it has never been applied to the field of analytical chemistry. The objective of this thesis is to assess the relevance of LCA compared to the greenness evaluation tools and apply it to the analytical chemistry sector, evaluating the opportunities and limitations of such an approach. Two underlying themes are included in this objective: improving and enabling the quantification of environmental impacts in analytical chemistry and democratizing the LCA approach among analytical chemistry operators through the development of a user-friendly LCA-based tool. Firstly, we examine specific environmental evaluation tools in analytical chemistry by comparing them to an LCA-inspired framework. This study allows us to investigate the elements and calculation methods used by these tools to identify the potential benefits of applying LCA in the sector. Next, we apply LCA to two sample preparations to compare their respective environmental impacts and establish the relevance and feasibility of comparative analysis in analytical chemistry. LCA is then applied to a complete analytical method under two scenarios: a ''business-as-usual'' scenario with ''conventional'' analytical parameters observed in laboratories and an ''eco-design'' scenario incorporating optimized characteristics such as extended instrument lifespans and reduced analysis durations. This study assesses LCA's ability to quantify the influence of laboratory decision-making on its environmental impacts, promoting eco-design practices. Following these two LCAs, we propose a prototype of a multicriteria tool applicable to analytical methods. We present the tool's inputs, outputs, and general structure, while offering potential areas for improvement. Finally, while LCA provides an impact-oriented approach, a risk-based approach is necessary to avoid or better anticipate the effects of potential climate-related hazards. The laboratory is a system, and disruption within it can have repercussions on the entire activity. This risk-based approach is discussed, and clues for further development are proposed.