Phát hiện ra phản ứng xanh chuyển hóa nhựa độc hại

Một quá trình hóa học mới có thể khử được nhựa vốn chiếm ưu thế trong dòng chất thải hiện nay và biến chúng thành các khối xây dựng hydrocarbon cho nhựa tái sinh.

Quá trình xúc tác, được phát triển tại Đại học California, Berkeley, đã hoạt động tốt với hai loại rác thải nhựa đang chiếm ưu thế trong tiêu dùng: polyethylene (C₂H₄)_n - thành phần của hầu hết các túi nhựa dùng một lần và polypropylene (C₃H₃)_n - thành phần của nhựa cứng, từ đĩa dùng trong lò vi sóng đến hành lý. Quá trình này cũng phân hủy hiệu quả hỗn hợp các loại nhựa này.

Quá trình này, nếu được mở rộng quy mô, có thể giúp lợi nhuận cho nền kinh tế tuần hoàn. Khi đó, nhiều loại nhựa dùng một lần hay các chất thải nhựa được chuyển đổi trở lại thành các monome được sử dụng để tạo ra polyme. Từ đó, chúng ta có thể giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch để tạo ra nhựa mới. Chẳng hạn, các chai nước bằng nhựa trong suốt làm từ polyethylene tetraphthalate (PET), một loại polyester, được thiết kế vào những năm 1980 để tái chế theo cách này. Nhưng khối lượng nhựa polyester rất nhỏ so với nhựa polyethylene và polypropylene, hai loại được gọi chung là polyolefin.

John Hartwig, giáo sư hóa học tại UC Berkeley, người đứng đầu nghiên cứu cho biết: "Chúng ta có một lượng lớn polyethylene và polypropylene trong các vật dụng hàng ngày, từ túi đựng đồ ăn trưa đến chai đựng xà phòng giặt và bình đựng sữa… rất nhiều thứ xung quanh chúng ta được làm từ những polyolefin này".

"Về nguyên tắc, những gì chúng ta có thể làm bây giờ là gom những vật thể đó. Sau đó, đưa chúng trở lại monome ban đầu bằng các phản ứng hóa học mà chúng tôi đã thiết kế để bẻ gãy các liên kết carbon-carbon thường ổn định. Bằng cách làm như vậy, chúng tôi đã tiến gần hơn bất kỳ ai để tạo ra cùng một loại tính tuần hoàn cho polyethylene và polypropylene giống như đối với tái chế polyester làm chai nước".

Nền kinh tế tuần hoàn cho nhựa

Nhựa polyetylen và polypropylen chiếm khoảng hai phần ba chất thải nhựa từ sinh hoạt trên toàn thế giới. Khoảng 80% chất thải này được đưa vào bãi chôn lấp, đốt hoặc đơn giản là vứt ra đường, thường trở thành vi nhựa trong các dòng nước và đại dương. Phần còn lại được tái chế thành nhựa giá trị thấp, trở thành vật liệu lát sàn, chậu hoa và thìa nĩa.

Để giảm thiểu chất thải này, các nhà nghiên cứu đã tìm cách biến nhựa phế thải thành thứ có giá trị hơn, chẳng hạn như các monome được trùng hợp để sản xuất nhựa mới. Điều này sẽ tạo ra nền kinh tế polyme tuần hoàn cho nhựa, giúp giảm nhu cầu sản xuất nhựa mới từ dầu mỏ, vốn tạo ra khí nhà kính.

Hai năm trước, Hartwig và nhóm chuyên gia từ UC Berkeley đã đưa ra một quá trình để phân hủy túi nhựa polyetylen thành monome propylene — còn gọi là propen C₃H₆. Sản phẩm sau đó có thể tái sử dụng để sản xuất nhựa polypropylen. Quá trình hóa học này sử dụng ba chất xúc tác kim loại nặng tùy chỉnh khác nhau. Một chất khử hydro để thêm liên kết đôi carbon-carbon vào polyme polyetylen; hai chất còn lại để phá vỡ chuỗi tại liên kết đôi này để thành etylen (C₂H₄). Cuối cùng, tạo ra các phân tử propylen cho đến khi polyme biến mất. Nhưng các chất xúc tác đã hòa tan trong phản ứng lỏng và tồn tại trong thời gian ngắn, khiến việc thu hồi chúng trở nên khó khăn.

Trong quá trình mới, các chất xúc tác kim loại hòa tan đắt tiền đã được thay thế bằng các chất xúc tác rắn rẻ hơn thường được sử dụng trong ngành công nghiệp hóa chất. Đây là loại dùng cho các quá trình phản ứng liên tục tái sử dụng chất xúc tác. Các quá trình phản ứng liên tục có thể được mở rộng quy mô để xử lý khối lượng vật liệu lớn.

Conk lần đầu tiên thử nghiệm các chất xúc tác này sau khi tham khảo ý kiến của Bell, một chuyên gia về chất xúc tác không đồng nhất, tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Phân tử sinh học.

Khi tổng hợp chất xúc tác natri trên alumina, Conk phát hiện ra rằng nó phá vỡ hoặc làm bẻ gãy hiệu quả nhiều loại chuỗi polyme polyolefin khác nhau (công thức hóa học là (CH₂CHR)_n) để lại một trong hai mảnh có liên kết đôi carbon-carbon. Quá trình bẻ gãy này cho đến khi tạo ra etylen.

Chất xúc tác thứ hai, oxit vonfram trên silica liên tục được truyền qua buồng phản ứng, Chất xúc tác này đã đẩy thêm nguyên tử carbon vào cuối chuỗi vào khí etylen, để tạo thành phân tử propylen. Quá trình sau được gọi là phản ứng metathesis olefin, mà chất xúc tác có thể tiếp cận nhiều lần cho đến khi toàn bộ chuỗi được chuyển đổi thành propylen.

Phản ứng tương tự xảy ra với polypropylen để tạo thành hỗn hợp hợp propen và một loại hydrocarbon gọi là isobutylene C₃H₈. Isobutylene được sử dụng trong ngành công nghiệp hóa chất để tạo ra polyme cho các sản phẩm từ dụng cụ thể thao đến mỹ phẩmhay để tạo ra phụ gia xăng có chỉ số octan cao.

Đáng ngạc nhiên là chất xúc tác vonfram thậm chí còn hiệu quả hơn chất xúc tác natri trong việc phá vỡ các chuỗi polypropylen.

Hartwig đánh giá: “Bạn không thể tìm được loại nào rẻ hơn natri nữa. Vonfram là kim loại có nhiều trong đất được sử dụng trong ngành công nghiệp hóa chất ở quy mô lớn. Nó trái ngược với chất xúc tác kim loại rutheni dù nhạy hơn nhưng đắt hơn. Sự kết hợp giữa oxit vonfram trên silica và natri trên alumina giống như việc lấy hai loại đất khác nhau và để chúng cùng nhau phân tách toàn bộ chuỗi polyme thành propen (từ etylen) và hỗn hợp propen và isobutylene (từ polypropylene) thậm chí còn cao hơn những gì chúng tôi đã làm với các chất xúc tác phức tạp và đắt tiền hơn đó”.

Giống như một chuỗi ngọc trai

Một lợi thế chính của chất xúc tác mới là chúng tránh được nhu cầu loại bỏ hydro để tạo thành liên kết đôi carbon-carbon dễ phá vỡ trong polyme, đây là một đặc điểm trong quá trình trước đó của các nhà nghiên cứu để phân hủy polyethylene. Các liên kết đôi như vậy là điểm yếu của polyme, giống như cách các liên kết carbon-oxy phản ứng trong polyester hoặc PET giúp nhựa dễ tái chế hơn. Polyethylene và polypropylene không có điểm yếu này — các chuỗi dài liên kết carbon đơn của chúng rất bền.

Hartwig cho biết: “Hãy nghĩ về polyme polyolefin như một chuỗi ngọc trai. Các khóa ở đầu ngăn không cho chúng rơi ra. Nhưng nếu bạn kẹp chuỗi ở giữa, giờ bạn có thể tháo từng viên ngọc trai ra”.

Hai chất xúc tác cùng nhau biến hỗn hợp polyethylene và polypropylene gần như bằng nhau thành propylene và isobutylene — cả hai loại khí ở nhiệt độ phòng — với hiệu suất gần 90%. Còn nếu áp dụng với đầu vào chỉ có riêng polyethylene hoặc polypropylene, năng suất thậm chí còn cao hơn.

Conk đã thêm các chất phụ gia nhựa và các loại nhựa khác nhau vào buồng phản ứng để xem các phản ứng xúc tác bị ảnh hưởng như thế nào bởi các chất gây ô nhiễm. Một lượng nhỏ các tạp chất này hầu như không ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi. Tuy nhiên, khi cho một lượng nhỏ PET và polyvinyl clorua — PVC — đã làm giảm đáng kể hiệu suất. Dù vậy, điều này có thể không phải là vấn đề, vì đã có các phương pháp tái chế đã phân loại nhựa theo từng loại.

Hartwig lưu ý rằng trong khi nhiều nhà nghiên cứu đang hy vọng tái chế nhựa trở về dạng monome để dễ dàng tái sử dụng, thì các loại nhựa khó tái chế hiện nay sẽ là vấn đề trong nhiều thập niên.

Hartwig phân tích: “Người ta có thể lập luận rằng chúng ta nên loại bỏ tất cả polyethylene và polypropylene và chỉ sử dụng các vật liệu tuần hoàn mới. Nhưng thế giới sẽ không làm như vậy trong nhiều thập niên nữa. Polyolefin rẻ và có các đặc tính tốt, vì vậy mọi người đều sử dụng chúng. Mọi người cũng nói rằng nếu có thể tìm ra cách để làm cho chúng tham gia vào nền kinh tế tuần hoàn, thì đó sẽ là một vấn đề lớn lao. Đó là những gì chúng tôi đã bắt tay làm”.