Nhựa polyethylene chiếm khoảng một phần ba toàn bộ thị trường nhựa trên toàn thế giới, với hơn 100 triệu tấn được sản xuất hàng năm từ nhiên liệu hóa thạch, khí tự nhiên thu được từ quá trình nứt vỡ thủy lực, thường được gọi là khí đá phiến.
Điều này cũng đồng nghĩa với việc hàng năm cũng có khoảng 100 triệu tấn rác thải nhựa thải ra môi trường. Mặc dù nhựa PE bao gồm cả HDPE và LDPE có thể được tái chế tốt (mã số tái chế số 2 và số 4), nhưng chỉ khoảng 14% trên tổng số 100 triệu tấn này được tái chế. Do tính ổn định đặc trưng của vật liệu, các polyme polyetylen rất khó bị phân hủy thành các monome như khởi đầu của chúng. Hầu hết việc tái chế loại nhựa này sẽ tạo ra một sản phẩm là chính nó, nhưng đã được hình lại. Các chai nhựa, túi nhựa sẽ được nấu chảy để sản xuất ra các chai và túi nhựa có chất lượng thấp hơn, hoặc đúc thành các sản phẩm khác như bàn ghế sân vườn, đồ nhựa gia dụng giá rẻ. Hạt nhựa tái chế gần như chỉ được dành riêng cho thị trường thứ cấp với nhu cầu không thực sự cao. Hơn nữa cũng không thể sử dụng hoàn toàn nhựa tái chế làm nguyên liệu mà chúng phải được pha trộn với hạt nhựa nguyên sinh để đảm bảo thành phẩm sẽ không có chất lượng quá kém.
Các phương pháp tái chế nhựa thông thường tạo ra các phân tử nhựa có giá trị thấp và không tạo ra hiệu quả kinh tế, nhất là đối với rác thải sau tiêu dùng sẽ cần tới nhiều công đoạn phân loại và vệ sinh tẩy rửa. Do đó mà không có nhiều tổ chức có động lực để tái chế hàng núi rác thải nhựa đã tích tụ trong nhiều thập kỷ qua.
Nhưng một bài nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí của Hiệp hội hóa học Hoa Kỳ có thể sẽ thay đổi tất cả, và trở thành một giải pháp hữu hiệu để bảo vệ môi trường. Bài báo này nói về một quy trình tái chế mới, được phát triển tại Đại học California và Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley của Mỹ, công bố một loạt các phản ứng xúc tác kết hợp để biến đổi các loại rác thải nhựa PE thành propylen- nguyên liệu quan trọng để sản xuất nhựa PP, loại nhựa cũng chiếm tới 25% lượng tiêu thụ nhựa trên thế giới.
Quá trình đang trong giai đoạn phát triển này có tiềm năng sẽ biến một sản phẩm phế thải, không riêng gì túi nhựa và bao bì, mà là tất cả các loại sản phẩm như bàn ghế, chai lọ... trở thành nhựa Polypropylene, loại nhựa vốn có nhu cầu rất cao.
Quy trình mới này có thể khiến những chiếc túi với các phần tử polyme trở lại các monome ban đầu của nó, chia nhỏ nó thành những mảnh nhỏ hơn và phân giải lại thành propylene. Điều này không chỉ giúp việc tái chế nhựa có hiệu quả và năng suất cao hơn, tạo ra sản phẩm mới có giá trị hơn để thúc đẩy nền công nghiệp tái chế rác thải nhựa trên toàn cầu, mà còn giúp giảm nhu cầu sản xuất propylene từ nhiên liệu hóa thạch, góp phần bảo vệ những nguồn tài nguyên không phải là vô hạn.
Phương pháp tái chế nhựa Polyethylene thành Propylene
Các loại nhựa đều bắt đầu bằng cụm từ “Poly” có thể được hiểu là chuỗi, và cụm từ phía sau chính là các monome được tạo thành bởi các liên kết hydro và carbon. Mỗi kiểu liên kết lại tạo nên một monome khác nhau, và chính kiểu lên kiết này sẽ quyết định một chuỗi liên kết sẽ trở thành loại nhựa gì và có đặc tính như thế nào. Ví dụ như nhựa Polyethylene được tạo thành từ monome ethylen, Polypropylene có nguồn gốc từ propylen và nhựa PS Polystyrene là tập hợp các chuỗi monome styrene.
Nhựa Polyethylene là một chuỗi dài các phân tử ethylen, mỗi ethylen bao gồm hai nguyên tử cacbon và bốn nguyên tử hydro (C2H4). Các liên kết hydro carbon này rất bền vững, điều này đã đem đến đặc tính khó phân hủy của nhựa, nhưng cũn đã đem đến cho những nhà nghiên cứu nhựa tái chế những thách thức to lớn.
Với khoản tài trợ từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, giáo sư Hartwig cùng các nghiên cứu sinh Steven Hanna và Richard J Conk tại phòng thí nghiệm Berkeley đã nảy ra ý tưởng phá vỡ liên kết carbon-hydro trên ethylene bằng chất xúc tác iridi, sau đó sử dụng chất xúc tác platinum thiếc và platinum kẽm để tạo ra một cặp đôi carbon liên kết với một phân tử carbon riêng lẻ (chính là cấu trúc của propylen). Cấu trúc này có thể có thể xảy ra phản ứng và tạo thành chuỗi polyme, chính là Propylene.
Phương thức này dựa trên việc loại bỏ một vài phân tử hydro khỏi carbon, và ở vị trí mà hydro được loại bỏ sẽ tạo ra được một liên kết carbon đôi, có khả năng phản ứng cao hơn liên kết đơn. Sau đó họ sẽ sử dụng một phản ứng gọi là phản ứng olefin, phản ứng đã được trao giải Nobel năm 2005, với việc phân cắt thành công liên kết đôi cacbon-cacbon trên ethylen. Thời điểm này, bạn đã bẻ chuỗi polyme dài thành những mảnh nhỏ hơn có chứa liên kết đôi cacbon-cacbon ở cuối, chính là những phân tử propylen C3H6.
Việc bổ sung chất xúc tác thứ hai, làm bằng paladium, cho phép các phân tử phân tử ba cacbon Propylne được cắt ra liên tục lặp đi lặp lại trong phản ứng, cho đến khi toàn bộ polyme được cắt thành các mảnh 3 carbon. Và kết quả thu được là 80% nhựa polyetylen bị khử thành propylen.
Phòng thí nghiệm của Hartwig gần đây cũng sử dụng những chất xúc tác sáng tạo khác để tạo ra một quy trình biến túi polyethylene thành một loại chất kết dính, một sản phẩm cũng rất có giá trị. Cùng với nhau, những quy trình mới này có thể kìm hãm sự sinh sôi nảy nở, thậm chí là giải quyết được một lượng nhựa khổng lồ ở các bãi rác, sông ngòi và cuối cùng là trong đại dương.
Cả hai đều còn lâu mới được thương mại hóa. Nhưng có thể dễ dàng thấy được quy trình mới này rất có tiềm năng sẽ chuyển đổi lượng rác thải nhựa tích tụ từ rất lâu trở thành một nguồn nguyên liệu hóa chất khổng lồ để phục vụ cho những mục đích khác.
Các đồng tác giả khác của nghiên cứu là Jake Shi, Nicodemo Ciccia, Liang Qi, Brandon Bloomer, Steffen Heuvel, Tyler Wills, giáo sư kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học Alexis Bell của UC Berkeley, Ji Yang và nhà khoa học nghiên cứu Ji Su của Berkeley Lab.
Nguồn tham khảo: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/09/220929204037.htm
