Biến CO₂ thành Nhựa: Polyme Carbon-âm có thể thay đổi Tương lai Vật liệu như thế nào
Maryam Davari
Chuyên gia Tư vấn Chính PEng CEng FIchemE
Ngày 5 tháng 12 năm 2025
Tổng quan
Việc sử dụng CO₂ trong polyme tập trung vào việc liên kết hóa học CO₂ vào các xương sống hoặc chất trung gian của polyme, thường thông qua phản ứng đồng trùng hợp với epoxit để tạo ra polycarbonate hoặc polyol polycarbonate, sau đó được sử dụng trong bọt polyurethane, chất đàn hồi và lớp phủ. Các sản phẩm thương mại hiện đã tích hợp tới 20–40 wt% CO₂ trong polyol polycarbonate, với các nghiên cứu vòng đời báo cáo mức giảm phát thải khí nhà kính lên đến hai chữ số so với polyol hoàn toàn từ nhiên liệu hóa thạch. Các phương pháp sinh học song song chuyển đổi nguyên liệu C1 có nguồn gốc từ CO₂ (methanol, formate, khí tổng hợp) thành nhựa và polyester sinh học, bổ sung cho các công nghệ hóa học.
Xem trước
Bài viết này tóm tắt ngắn gọn về các công nghệ trùng hợp CO₂ thành CO₂ chính, nêu bật các ví dụ thực tế trong công nghiệp và thí điểm, đồng thời thảo luận về các thách thức kỹ thuật, chiến lược giảm thiểu và những trở ngại còn lại trước khi triển khai trên quy mô lớn. Bài viết tập trung vào polycarbonate, polyurethane và các loại nhựa gốc CO₂ mới nổi trong bối cảnh khử cacbon và kinh tế tuần hoàn rộng lớn hơn.
Công nghệ
Đồng trùng hợp CO₂/epoxide thành polycarbonate và polyol polycarbonate
Các chất xúc tác kim loại và hữu cơ cho phép đồng trùng hợp CO₂ với epoxit (ví dụ: propylene oxide, cyclohexene oxide) để tạo thành polycarbonate aliphatic hoặc polyol ether polycarbonate. Các chất xúc tác hiện đại đạt được tần số luân chuyển cao và khối lượng mol được kiểm soát, với mức độ kết hợp CO₂ khoảng 20–40 wt% trong polyol thương mại và lên đến ~35% trong các nghiên cứu gần đây trong phòng thí nghiệm.
Polyurethane không isocyanate (NIPU) có nguồn gốc từ CO₂
CO₂ được chuyển đổi thành cacbonat vòng, phản ứng với amin để tạo thành NIPU, tránh các isocyanate truyền thống và có khả năng cải thiện sức khỏe và an toàn. Những vật liệu này nhắm đến lớp phủ, chất kết dính và chất đàn hồi, đồng thời nhúng CO₂ vào cấu trúc polymer.
Chuyển đổi công nghệ sinh học thông qua các chất trung gian C1
CO₂ đầu tiên được chuyển đổi thành nguyên liệu C1 (methanol, formate, khí tổng hợp), sau đó được chuyển hóa bởi các vi sinh vật được thiết kế thành tiền chất polymer, polyester hoặc polymer sinh học tự nhiên như PHA. Phương pháp lai giữa phi sinh học/sinh học này về nguyên tắc có thể hỗ trợ nhiều loại nhựa sinh học sử dụng carbon có nguồn gốc từ CO₂.
Các trường hợp thực tế
Trường hợp 1 – Polyol polycarbonate gốc CO₂ thương mại dùng cho bọt polyurethane
Các dòng sản phẩm công nghiệp hiện nay cung cấp polyol polycarbonate chứa CO₂ (ví dụ: vật liệu loại "CO₂NVERGE") với hàm lượng CO₂ lên đến khoảng 40% khối lượng và được báo cáo là có tác động đến hiện tượng nóng lên toàn cầu thấp hơn 20–50% so với polyol hóa thạch tiêu chuẩn. Các polyol này được sử dụng trong các ứng dụng như bọt PU mềm và cứng, lớp phủ và chất bịt kín, cho phép thay thế trực tiếp trong các công thức hiện có.
Trường hợp 2 – Đồng trùng hợp CO₂/epoxide năng suất cao tại các nhà máy thí điểm
Nghiên cứu gần đây đã chứng minh các hệ thống đồng trùng hợp CO₂/epoxide sử dụng xúc tác hữu cơ và xúc tác kim loại có năng suất cực cao, đạt năng suất xúc tác từ hàng trăm đến hơn một nghìn kg polyme trên một gam xúc tác trong điều kiện thí điểm. Đánh giá vòng đời cho thấy việc bổ sung khoảng 20% khối lượng CO₂ vào polyol poly(ether carbonate) có thể giảm khoảng 11–19% lượng khí thải nhà kính và giảm khoảng 13–16% lượng tài nguyên hóa thạch sử dụng so với các loại nhựa thông thường.
Trường hợp 3 – Nhựa gốc CO₂ thông qua việc sử dụng C1 của vi sinh vật
Các dự án học thuật và công nghiệp đã chỉ ra rằng vi sinh vật có thể sản xuất tiền chất polymer và nhựa sinh học từ methanol, formate hoặc khí tổng hợp có nguồn gốc từ CO₂, chứng minh tính khả thi về mặt kỹ thuật trên nhiều loại nhựa, bao gồm PHA và vật liệu loại polyester. Mặc dù chưa được thương mại hóa hoàn toàn ở quy mô lớn, nhưng những con đường này minh họa cách CO₂ có thể hỗ trợ chuỗi cung ứng polymer sinh học trong tương lai.
Thách thức
Hiệu suất và độ bền của chất xúc tác
Quá trình đồng trùng hợp CO₂ khả thi trong công nghiệp đòi hỏi các chất xúc tác hoạt động với hoạt tính, độ chọn lọc và tuổi thọ cao trong điều kiện tạp chất thực tế, đồng thời duy trì hàm lượng kim loại ở mức ppm trong sản phẩm.
Kinh tế quy trình và nhu cầu năng lượng
Việc cô đặc, vận chuyển và hoạt hóa CO₂ tiêu tốn nhiều năng lượng; tính khả thi về mặt kinh tế phụ thuộc vào năng lượng carbon thấp giá rẻ, tỷ lệ sử dụng nhà máy cao và chi phí cạnh tranh so với các phương pháp sử dụng nhiên liệu hóa thạch.
Lượng CO₂ hấp thụ tuyệt đối và quy mô thị trường hạn chế
Ngay cả khi hàm lượng CO₂ trong polyme là 20–40 wt%, tổng lượng CO₂ được sử dụng vẫn ở mức khiêm tốn so với lượng khí thải toàn cầu, và lượng carbon được lưu trữ cuối cùng sẽ được giải phóng trở lại khi hết vòng đời trừ khi việc tái chế hiệu quả.
Quy định, an toàn và sự chấp nhận của thị trường
Các hóa chất polyme mới phải đáp ứng các tiêu chuẩn hiện hành về an toàn, hiệu suất và khả năng tái chế, và khách hàng cần tin tưởng rằng nhựa gốc CO₂ tương thích với quy trình xử lý và chuỗi cung ứng hiện tại.
Chiến lược giải quyết và giảm thiểu
Thúc đẩy thiết kế chất xúc tác và quy trình
Nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế chất xúc tác có tần suất luân chuyển cao hơn, phạm vi ứng dụng rộng hơn
Khả năng chịu tạp chất và phục hồi dễ dàng hơn, cùng với các khái niệm lò phản ứng được tăng cường và quản lý nhiệt tốt hơn.
Tích hợp việc sử dụng CO₂ với năng lượng carbon thấp và CCUS
Việc đặt các đơn vị CO₂-polymer cùng với các nguồn thu hồi và năng lượng tái tạo giúp giảm phát thải đầu nguồn và cải thiện hiệu suất vòng đời tổng thể.
Kết hợp với các chiến lược nhựa tuần hoàn
Việc kết hợp nguyên liệu đầu vào gốc CO₂ với tái chế cơ học và hóa học có thể tạo ra các vòng polymer tuần hoàn hơn, giảm cả lượng khí thải hóa thạch đầu vào và phát thải cuối vòng đời. Việc thiết kế polymer gốc CO₂ để tái chế hóa học hoặc phân hủy sinh học ngay từ đầu càng làm tăng tác động lâu dài.
Rào cản
Mở rộng quy mô và rủi ro đầu tư
Các nhà máy trình diễn và đầu tiên phải đối mặt với rủi ro về vốn và công nghệ cao, điều này có thể làm chậm quá trình triển khai nếu không có sự hỗ trợ về chính sách hoặc đảm bảo tiêu thụ.
Các ứng dụng cạnh tranh cho các chất trung gian CO₂ và C1 thu được
Nguồn cung cấp CO₂ và C1 có nguồn gốc từ CO₂ cũng đang được ưa chuộng cho nhiên liệu và hóa chất, do đó, việc phân bổ giữa các tuyến đường năng lượng và vật liệu phải xem xét lợi ích khí hậu, kinh tế và các hạn chế về cơ sở hạ tầng.
Chính sách, tiêu chuẩn và kế toán
Cần có các quy tắc rõ ràng về cách ghi nhận lượng CO₂ được sử dụng trong kế toán carbon và ghi nhãn sản phẩm, cũng như cách các polyme gốc CO₂ phù hợp với trách nhiệm mở rộng của nhà sản xuất và các mục tiêu tái chế.
Tóm tắt
Các công nghệ chuyển đổi CO₂ sang polyme đã chuyển từ sự tò mò trong phòng thí nghiệm sang thực tế thương mại ban đầu, đặc biệt là trong các polyol polycarbonate gốc CO₂ và các hệ thống polyurethane không isocyanate mới nổi. Mặc dù chúng không thể giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu một cách đơn độc, nhưng chúng cung cấp một đòn bẩy khử cacbon hữu hình cho chuỗi giá trị nhựa bằng cách thay thế một phần carbon hóa thạch, giảm phát thải tích tụ và phù hợp với các chiến lược kinh tế tuần hoàn rộng hơn khi kết hợp với tái chế mạnh mẽ và năng lượng carbon thấp.
Tài liệu tham khảo
Những tiến bộ gần đây trong đồng trùng hợp CO₂/epoxide và polyol polycarbonate.
Nghiên cứu về chu trình sản xuất gốc CO₂ và nhựa gốc C1.
Thông tin thương mại về polyol chứa CO₂ và hiệu suất vòng đời.
Đánh giá về polyurethane không isocyanate có nguồn gốc từ CO₂ và hóa học polymer xanh.
Phân tích về nhựa tuần hoàn, tái chế hóa học và tương lai của polymer carbon âm.
#SửDụngCO2 #Polymer #Nhựa #KhửCacbon #ThuGópCarbon #Polyurethane #Polycarbonate #KinhTếTuầnHoàn #VậtLiệuBềnVững #KỹThuậtHóaHóa
