Top Ý Tưởng Sáng Tạo Thế Giới Năm 2023 – Phương pháp mới chuyển đổi rác thải nhựa dùng một lần thành nhiên liệu và nguyên liệu thô

Có rất nhiều nguyên liệu thô hữu ích tiềm ẩn trong khẩu trang, túi hàng tạp hóa và màng bọc thực phẩm đã qua sử dụng. Việc tiếp tục sản xuất nhiều loại nhựa sử dụng một lần này sẽ rẻ hơn nhiều so với việc thu hồi và tái chế chúng.

Một nhóm nghiên cứu quốc tế do Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) của Bộ Năng lượng Mỹ dẫn đầu đã giải được mật mã, cản trở những nghiên cứu trước đây nhằm phá vỡ các loại nhựa khó phân hủy này. Nhóm nghiên cứu đã báo cáo phát minh trên tạp chí Khoa học số ra ngày 23/2.

Nhiệt độ thấp và kiểm soát phản ứng

Thông thường, quy trình tái chế nhựa đã qua sử dụng đòi hỏi phải “bẻ khóa” hoặc tách rời những liên kết cứng và ổn định cũng khiến nhựa trở nên bền bỉ trong môi trường tự nhiên. Công đoạn bẻ khóa các chuỗi phân tử nhựa đòi hỏi nhiệt độ cao khiến tái chế rác thải nhựa cần nhiều năng lượng, chi phí lớn và xả thải carbon gây ô nhiễm môi trường.

Trong công trình nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã có một sáng tạo ấn tượng, đó là kết hợp bước cracking (bẻ gãy liên kết) với bước phản ứng thứ hai, lập tức hoàn thành quá trình chuyển đổi thành nhiên liệu lỏng tương tự như xăng mà không có những sản phẩm phụ không mong muốn.

Bước phản ứng thứ hai, các nhà khoa học sử dụng loại chất xúc tác alkyl hóa. Những chất xúc tác này cung cấp một phản ứng hóa học, hiện đang được ngành công nghiệp dầu khí sử dụng để tăng cường chỉ số octan của xăng.

Điều quan trọng trong nghiên cứu là phản ứng alkyl hóa được thực hiện ngay sau bước cracking trong một bình phản ứng duy nhất gần nhiệt độ phòng (70 độ C/158 độ F).

Các nhà khoa học đã phát triển một quy trình tái chế nhựa mới, sử dụng cho những sản phẩm polyetylen mật độ thấp (LDPE, mã nhựa dẻo số 4) như màng nhựa và chai nhựa có thể bóp được, các sản phẩm polypropylen (PP, mã nhựa dẻo số 5), thường không được thu gom lề đường trong các chương trình tái chế phụ tại Mỹ. Tín dụng: Hoạt hình của Sara Levine | Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương

TS Oliver Y. Gutiérrez, tác giả nghiên cứu, nhà hóa học tại PNNL cho biết: “Phản ứng bẻ khóa chỉ để phá vỡ các liên kết dẫn đến việc các phân đoạn chuỗi phân tử sẽ hình thành một liên kết khác theo hướng không kiểm soát được, đó chính là một vấn đề trong các phương pháp tái chế khác. Công thức bí mật ở đây là khi phá vỡ một liên kết trong hệ thống của chúng tôi, ngay lập tức phải tạo ra một liên kết khác theo mục tiêu đặt ra nhằm mang lại sản phẩm cuối cùng mong muốn. Đó cũng là bí mật của phương pháp chuyển đổi ở nhiệt độ thấp này.”

Một nghiên cứu do các nhà khoa học từ Đại học Kỹ thuật Munich, Đức dẫn đầu đã chỉ ra những bước phát triển riêng biệt gần đây của ngành dầu khí nhằm thương mại hóa phần thứ hai của quy trình, được thực hiện trong nghiên cứu của nhóm nhà khoa học PNNL để xử lý dầu thô.

GS.TS Johannes Lercher, tác giả chính của nghiên cứu, giám đốc Viện Xúc tác Tích hợp của PNNL, GS hóa học tại Đại học Kỹ thuật Munich (TUM) cho biết: “Thực tế là ngành công nghiệp đã triển khai thành công các chất xúc tác alkyl hóa mới nổi, chứng minh được bản chất ổn định, khả năng tạo mạnh mẽ của vật chất. Nghiên cứu này chỉ ra một giải pháp mới thiết thực để khép kín chu trình carbon đối với chất thải nhựa, tiến gần đến việc hiện thực hóa trong đời sống, hơn hẳn các giải pháp khác đang được đề xuất.”

Trong công trình nghiên cứu, các nhà khoa học lưu ý một hạn chế trong những phát hiện mới. Quy trình này áp dụng cho những sản phẩm polyetylen mật độ thấp (LDPE, mã nhựa dẻo số 4), như màng nhựa và chai có thể bóp được, các sản phẩm polypropylen (PP, mã nhựa dẻo số 5) thường không được thu gom trong các chương trình tái chế bên lề đường ở Mỹ. Polyetylen mật độ cao (HPDE, mã nhựa dẻo #2) sẽ phải yêu cầu tiền xử lý để cho phép chất xúc tác tiếp cận với các liên kết nhựa cần phá vỡ.

Nhựa rác thải là nhiên liệu và những sản phẩm bền vững mới tương lai

Chất thải nhựa từ dầu mỏ là một nguồn tài nguyên chưa được khai thác có thể dùng làm nguyên liệu ban đầu cho những vật liệu lâu bền hữu ích và làm nhiên liệu. Hơn một nửa trong số 360 triệu tấn nhựa được sản xuất trên toàn cầu mỗi năm là loại nhựa được sử dụng trong nghiên cứu này. Nhưng nhìn vào một núi rác thải nhựa và thấy giá trị kinh tế lớn đòi hỏi tư duy của một nhà đổi mới, sự khéo léo của một nhà hóa học và sự hiểu biết của một người theo chủ nghĩa thực tế về những vấn đề kinh tế liên quan. Các nhà khoa học của PNNL đang cố gắng thay đổi quá trình sử dụng nhựa bằng phương pháp áp dụng chuyên môn hóa học trong những quy trình phá vỡ các liên kết hóa học nhằm tạo ra sản phẩm mới có giá trị cao hơn.

GS.TS Lercher cho biết : “Để giải quyết vấn đề rác thải nhựa khó phân hủy, chúng ta cần đạt đến quan điểm quan trọng, đó là thu gom và tái sử dụng trở lại, quy trình khép kín này sẽ hợp lý hơn là coi nhựa như đồ dùng một lần. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã chứng minh, có thể thực hiện chuyển đổi nhựa rác thải thành sản phẩm nhanh chóng, trong điều kiện ôn hòa, một trong những động lực để tiến tới một bước ngoặt, làm thay đổi khái niệm rác thải nhựa sử dụng một lần.”