Các nhà khoa học tìm ra cách chiết xuất nhựa để giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính
bởi Claire Benjamin, Đại học Illinois Grainger College of Engineering
Trừu tượng đồ họa. Nguồn: Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (2022). DOI: 10.1021 / jacs.2c07781
Các nhà khoa học từ Đại học Illinois Urbana-Champaign, Đại học California, Santa Barbara và Dow đã phát triển một quy trình đột phá để biến đổi loại nhựa được sản xuất rộng rãi nhất - polyethylene (PE) - thành loại nhựa được sản xuất rộng rãi thứ hai, polypropylene (PP) , có thể làm giảm phát thải khí nhà kính (GHG).
“Thế giới cần ngày càng có nhiều lựa chọn tốt hơn để chiết xuất năng lượng và giá trị phân tử từ nhựa phế thải của mình,” đồng tác giả Susannah Scott, Giáo sư xuất sắc và Chủ tịch Mellichamp về Xử lý xúc tác bền vững tại UC Santa Barbara, cho biết. Các phương pháp tái chế nhựa thông thường tạo ra các phân tử nhựa có giá trị thấp và do đó, không có nhiều động lực để tái chế hàng núi rác thải nhựa đã tích tụ trong nhiều thập kỷ qua.
Tuy nhiên, Scott nói thêm, "biến polyethylene thành propylene, sau đó có thể được sử dụng để tạo ra một loại polymer mới, là cách chúng tôi bắt đầu xây dựng nền kinh tế vòng tròn cho nhựa."
"Chúng tôi bắt đầu bằng cách khái niệm hóa cách tiếp cận này và chứng minh lời hứa của nó trước tiên thông qua mô hình lý thuyết - giờ đây chúng tôi đã chứng minh rằng nó có thể được thực hiện bằng thực nghiệm theo cách có thể mở rộng và có khả năng áp dụng cho các nhu cầu hiện tại của ngành", đồng tác giả Damien Guironnet, một giáo sư kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học tại Illinois, người đã xuất bản nghiên cứu đầu tiên phác thảo các phản ứng xúc tác cần thiết vào năm 2020.
Nghiên cứu mới được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ công bố một loạt các phản ứng xúc tác kết hợp biến đổi PE, là loại nhựa số 2 và số 4, chiếm 29% lượng nhựa tiêu thụ trên thế giới, thành khối xây dựng propylene là nguyên liệu quan trọng để sản xuất PP, còn được gọi là nhựa số 5, chiếm gần 25% lượng tiêu thụ nhựa trên thế giới.
Nghiên cứu này thiết lập một bằng chứng về khái niệm cho việc chiết xuất nhựa PE với độ chọn lọc hơn 95% thành propylene. Các nhà nghiên cứu đã chế tạo một lò phản ứng tạo ra dòng khí propylene liên tục có thể chuyển đổi thành PP dễ dàng bằng cách sử dụng công nghệ hiện tại - làm cho khám phá này có thể mở rộng và có thể thực hiện nhanh chóng.
Garrett Strong, một nghiên cứu sinh cho biết: “Phân tích sơ bộ của chúng tôi cho thấy rằng nếu chỉ 20% PE trên thế giới có thể được thu hồi và chuyển đổi qua tuyến đường này, thì nó có thể tiết kiệm tiềm năng phát thải khí nhà kính tương đương với việc đưa 3 triệu chiếc ô tô ra khỏi đường. liên kết với dự án.
Mục đích là cắt từng phân tử PE rất dài nhiều lần để thu được nhiều mảnh nhỏ, đó là các phân tử propylen. Đầu tiên, chất xúc tác loại bỏ hydro khỏi PE, tạo ra một vị trí phản ứng trên dây chuyền. Tiếp theo, chuỗi được tách làm đôi tại vị trí này bằng cách sử dụng chất xúc tác thứ hai, chất xúc tác này sẽ che các đầu bằng ethylene. Cuối cùng, chất xúc tác thứ ba di chuyển vị trí phản ứng dọc theo chuỗi PE để quá trình có thể được lặp lại. Cuối cùng, tất cả những gì còn lại là một số lượng lớn các phân tử propylene.
Guironnet nói: “Hãy nghĩ đến việc cắt đôi một chiếc bánh mì và sau đó cắt những miếng có kích thước chính xác ở cuối mỗi nửa - trong đó tốc độ bạn cắt sẽ kiểm soát kích thước của mỗi lát,” Guironnet nói.
Scott cho biết: “Bây giờ chúng tôi đã thiết lập được khái niệm bằng chứng, chúng tôi có thể bắt đầu cải thiện hiệu quả của quy trình bằng cách thiết kế các chất xúc tác nhanh hơn và năng suất hơn, để có thể mở rộng quy mô”. "Vì sản phẩm cuối cùng của chúng tôi đã tương thích với các quy trình tách ngành hiện tại, nên các chất xúc tác tốt hơn sẽ giúp chúng tôi có thể thực hiện bước đột phá này một cách nhanh chóng."
Công trình được trình bày trong ấn phẩm này rất bổ sung cho một bài báo đăng trên Science tuần trước. Cả hai nhóm đều sử dụng nhựa nguyên sinh và các chất hóa học tương tự. Tuy nhiên, nhóm Khoa học đã sử dụng một quy trình khác trong một lò phản ứng mẻ kín, đòi hỏi áp suất cao hơn nhiều — tiêu tốn nhiều năng lượng — và cần phải tái chế nhiều ethylene hơn.
Guironnet cho biết: “Nếu chúng ta muốn thu gom một phần đáng kể trong số hơn 100 triệu tấn rác thải nhựa mà chúng ta tạo ra mỗi năm, thì chúng ta cần các giải pháp có khả năng mở rộng cao,” Guironnet nói. "Nhóm của chúng tôi đã chứng minh tính chất hóa học trong một lò phản ứng dòng chảy mà chúng tôi phát triển để sản xuất propylene một cách có chọn lọc và liên tục. Đây là một bước tiến quan trọng để giải quyết khối lượng khổng lồ của vấn đề mà chúng tôi đang phải đối mặt."
Các nhà nghiên cứu của Dow cũng tham gia vào công việc này. Nhà khoa học cấp cao của Dow, Ivan Konstantinov, cho biết: “Dow đang đóng vai trò hàng đầu trong việc thúc đẩy một nền kinh tế vòng tròn hơn bằng cách thiết kế cho sự tuần hoàn, xây dựng các mô hình kinh doanh mới cho vật liệu hình tròn và hợp tác để chấm dứt rác thải nhựa”. "Với tư cách là nhà tài trợ của dự án này, chúng tôi cam kết tìm ra những cách mới để loại bỏ rác thải nhựa và được khuyến khích bởi cách tiếp cận này."
