Một quy trình khép kín để sản xuất và tái chế nhựa polycarbonate cũng thu giữ carbon để giảm chất thải và cắt giảm khí thải.
Trong bối cảnh ngày càng có nhiều lo ngại về tình trạng khí hậu và môi trường, những nỗ lực đáng kể đã được dành để phát triển các giải pháp đổi mới nhằm giảm rác thải nhựa và thu giữ carbon dioxide từ khí quyển - hầu hết đều giải quyết từng cuộc khủng hoảng một.
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu gần đây đã nghĩ ra một quy trình khép kín, bền vững để sản xuất và tái chế nhựa polycarbonate đồng thời thu giữ carbon, giải quyết đồng thời hai thách thức một cách hiệu quả.
Tái chế nhựa thông thường là một quy trình cơ học bao gồm phân loại, làm sạch và tạo hạt nhựa thành từng mảnh trước khi nung ở nhiệt độ cao và không phải tất cả nhựa đều có thể được tái chế theo cách này - mặc dù nó thân thiện với môi trường hơn so với đốt hoặc chôn lấp.
Hoyong Chung, giáo sư tại Đại học bang Florida và nhà khoa học, giải thích: “Tuy nhiên, [tái chế cơ học] có một vấn đề nghiêm trọng vì việc tiếp xúc nhiều lần với nhiệt độ cao có thể gây ra những thay đổi vĩnh viễn trong cấu trúc hóa học của nhựa, dẫn đến nhựa tái chế kém chất lượng”. về nghiên cứu hiện tại.
Sử dụng chất thải lignin để sản xuất nhựa mới
Phương pháp tái chế do Chung và nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của ông, Arijit Ghorai, phát triển, về cơ bản khác với tái chế cơ học. Nó liên quan đến việc chuyển đổi polycarbonate thành các khối xây dựng ban đầu của nó trong một quá trình được gọi là khử polyme.
Chìa khóa của quá trình này là lignin, một thành phần chính của sinh khối hiện đang được công nhận về tiềm năng thay thế ít nhất một phần nhiên liệu hóa thạch trong sản xuất nhựa và các sản phẩm thương mại khác nhờ khả năng tái tạo, thị trường rộng lớn và chi phí thấp. Nó cũng là sản phẩm phụ không mong muốn của ngành công nghiệp nhiên liệu sinh học và bột giấy và giấy, nơi ngành này tạo ra khoảng 50–70 tỷ tấn lignin mỗi năm. Phần lớn lignin này sẽ bị lãng phí.
Khái niệm “lãng phí thành giàu có” không phải là mới. Các nhà khoa học đã biến tất cả các loại rác thải thường bị bỏ đi, chẳng hạn như cặn cắt tỉa bơ và vỏ kim loại, thành các sản phẩm hữu ích như nhựa và nhiên liệu hydro.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà hóa học cũng đã biết rằng carbon dioxide có thể được chuyển hóa thành nhựa polycarbonate, nhưng quy trình truyền thống không phải là quy trình bền vững nhất. Thông thường, carbon dioxide được phản ứng với các hợp chất có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch và phản ứng không chỉ đòi hỏi nhiệt độ và áp suất cao - nghĩa là tiêu tốn năng lượng cao - mà còn cả các chất xúc tác kim loại được thiết kế tỉ mỉ, làm tăng thêm độ phức tạp cho quy trình và cả chi phí tiền tệ, tùy thuộc vào kim loại được sử dụng.
Để làm cho quá trình này bền vững hơn, Chung và Ghorai đã sử dụng lignin thay vì nguyên liệu ban đầu có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch cũng như chất xúc tác không chứa kim loại. Lignin là một lựa chọn thay thế tốt vì cấu trúc hóa học của nó chứa nhiều nhóm chức có thể phản ứng với carbon dioxide khi có chất xúc tác thích hợp.
Phản ứng này được các nhà nghiên cứu xúc tác bằng cách sử dụng một phân tử hữu cơ, tạo ra cacbonat tuần hoàn, khối xây dựng hay “monome” của polycarbonate. Bước thứ hai, quá trình trùng hợp cacbonat tuần hoàn thành polycarbonate, có thể được thực hiện ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển bình thường – những điều kiện nhẹ nhàng hơn nhiều so với những điều kiện cần thiết cho quá trình tổng hợp thông thường.
Bằng cách điều chỉnh chất xúc tác, lượng chất xúc tác và thời gian phản ứng, các đặc tính của nhựa, chẳng hạn như độ ổn định nhiệt và độ bền, có thể được kiểm soát, cho phép tùy chỉnh polycarbonate cho các ứng dụng cụ thể. Sau khi sử dụng theo dự định, nó có thể được tái chế thông qua quá trình khử polyme, trong đó nhựa được chuyển đổi trở lại thành monome của nó.
Nền kinh tế nhựa tuần hoàn
Tái chế hóa học, thuật ngữ chung để chỉ quá trình khử polyme và các công nghệ khác chuyển đổi chất thải nhựa thành các đơn vị cơ bản để tái tạo cùng một sản phẩm và tái chế hóa chất, là chuyển đổi chất thải nhựa thành sản phẩm có giá trị cao hơn, dường như là mắt xích còn thiếu trong quá trình chuyển đổi. tới nền kinh tế nhựa tuần hoàn.
Phương pháp tái chế hóa học của Chung và Ghorai tương đối đơn giản – để thu được cacbonat tuần hoàn ban đầu, họ đun nóng polycarbonate ở 90°C trong 12 giờ bằng cách sử dụng cùng chất xúc tác hữu cơ để tăng tốc độ phản ứng khử polyme.
Ghorai giải thích: “Chúng tôi có thể sử dụng các monome tái chế này để tổng hợp lại polyme chất lượng cao ban đầu”. “Bằng cách áp dụng phương pháp này, chúng tôi có thể tránh được bất kỳ sự suy giảm chất lượng polyme nào sau khi tái chế”.
Ông chỉ ra: “[Lý tưởng nhất] là các loại nhựa polycarbonate được phát triển có khả năng trải qua quá trình tái chế khép kín [lặp đi lặp lại] mà không ảnh hưởng đến các đặc tính ban đầu của chúng”.
Ghorai và Chung đã xác nhận qua các phân tích rằng các đặc tính của polyme tái chế giống hệt với các đặc tính của polyme nguyên sơ ban đầu. Tuy nhiên, cần nhiều thử nghiệm hơn để xác định số lần polyme thực sự có thể được tái chế mà không bị phân hủy.
Tính khả thi, an toàn và hiệu quả của quy trình cũng cần được nghiên cứu bên ngoài phòng thí nghiệm ở quy mô lớn hơn nhiều, nhưng các nhà nghiên cứu hy vọng nó cuối cùng sẽ được sử dụng để sản xuất các hóa chất có giá trị cao và các polyme chuyên dụng cho các ứng dụng y sinh và lưu trữ năng lượng.
Chung cho biết: “Trong ngắn hạn, polyme có thể được sử dụng cho các sản phẩm nhựa ngắn hạn, chi phí thấp trong các lĩnh vực như xây dựng, nông nghiệp, bao bì, mỹ phẩm, dệt may, tã lót và đồ dùng nhà bếp dùng một lần”.
Nghiên cứu này không đánh giá một cách định lượng lượng carbon dioxide được lignin thu giữ, nhưng các nhà nghiên cứu cho chúng tôi biết những thí nghiệm này đang được tiến hành. Họ cũng có kế hoạch xử lý polycarbonate – thứ mà họ đã điều chế dưới dạng bột – thành các dạng khác nhau, chẳng hạn như màng, để sử dụng cho mục đích thương mại.
Mặc dù công việc vẫn cần phải được thực hiện nhưng nghiên cứu này chứng minh rằng nền kinh tế nhựa tuần hoàn cho polycarbonate là có thể thực hiện được.
Tài liệu tham khảo: Arijit Ghorai và Hoyong Chung, CO 2 và Polyme bền vững dựa trên Lignin với quy trình tái chế hóa học khép kín, Vật liệu chức năng tiên tiến (2024). DOI: 10.1002/adfm.202403035
Tín dụng hình ảnh nổi bật: Claudio Schwarz trên Bapt
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
