Quy trình mới làm bay hơi túi nhựa và chai nhựa, tạo ra khí để tạo ra nhựa tái chế mới
Sinh viên tốt nghiệp RJ Conk đang điều chỉnh một buồng phản ứng trong đó nhựa hỗn hợp được phân hủy thành các khối xây dựng có thể tái sử dụng của polyme mới. Ảnh do Robert Sanders, UC Berkeley cung cấp.
Berkeley — Một quy trình hóa học mới về cơ bản có thể làm bay hơi nhựa chiếm ưu thế trong dòng chất thải hiện nay và biến chúng thành các khối xây dựng hydrocarbon cho nhựa mới.
Quy trình xúc tác, được phát triển tại Đại học California, Berkeley, hoạt động tốt như nhau với hai loại rác thải nhựa sau tiêu dùng chiếm ưu thế: polyethylene, thành phần của hầu hết các túi nhựa dùng một lần; và polypropylene, thành phần của nhựa cứng, từ đĩa dùng trong lò vi sóng đến hành lý. Quy trình này cũng phân hủy hiệu quả hỗn hợp các loại nhựa này.
Nếu được mở rộng quy mô, quy trình này có thể giúp mang lại nền kinh tế tuần hoàn cho nhiều loại nhựa dùng một lần, với chất thải nhựa được chuyển đổi trở lại thành các monome được sử dụng để tạo ra polyme, do đó giảm nhiên liệu hóa thạch được sử dụng để tạo ra nhựa mới. 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, được gọi là polyolefin.
"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 đến bình đựng sữa — rất nhiều thứ xung quanh chúng ta được làm từ những polyolefin này", John Hartwig, giáo sư hóa học tại UC Berkeley, người đứng đầu nghiên cứu cho biết. "Về nguyên tắc, những gì chúng ta có thể làm bây giờ là lấy những vật thể đó và đưa chúng trở lại dạng monome ban đầu bằng các phản ứng hóa học mà chúng tôi đã thiết kế để cắt đứt các liên kết carbon-carbon thường ổn định. Bằng cách làm như vậy, chúng tôi đã tiến gần hơn bất kỳ ai đến việc mang lại cùng một loại tính tuần hoàn cho polyethylene và polypropylene như bạn có đối với polyester trong chai đựng nước".
Hartwig, sinh viên sau đại học Richard J. "RJ" Conk, kỹ sư hóa học Alexis Bell, Giáo sư của Trường sau đại học UC Berkeley và các đồng nghiệp của họ sẽ công bố thông tin chi tiết về quy trình xúc tác vào ngày 29 tháng 8 trên tạp chí Science.
Video này của sinh viên sau đại học UC Berkeley RJ Conk giải thích cách một quy trình xúc tác mới biến rác thải nhựa thành khí, là nền tảng cho nhựa mới, do đó tạo ra nền kinh tế tuần hoàn cho nhựa. (Nguồn video: Richard J. “RJ” Conk, UC Berkeley)
Nền kinh tế tuần hoàn cho nhựa
Nhựa polyetylen và polypropylen chiếm khoảng hai phần ba chất thải nhựa sau tiêu dùng trên toàn thế giới. Khoảng 80% trong số đó được đưa vào bãi chôn lấp, bị đốt hoặc chỉ đơn giản là bị vứt ra đường, thường trở thành vi nhựa trong các dòng suối 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 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 tuần hoàn cho nhựa, giảm nhu cầu sản xuất nhựa mới từ dầu mỏ, vốn tạo ra khí nhà kính.
Hai năm trước, Hartwig và nhóm UC Berkeley của ông đã đưa ra một quy trình (liên kết bên ngoài) để phân hủy túi nhựa polyethylene thành monome propylene — còn gọi là propene — sau đó có thể tái sử dụng để sản xuất nhựa polypropylene. Quy trình hóa học này sử dụng ba chất xúc tác kim loại nặng tùy chỉnh khác nhau: một chất để thêm liên kết đôi carbon-carbon vào polyme polyethylene và hai chất còn lại để phá vỡ chuỗi tại liên kết đôi này và liên tục cắt bỏ một nguyên tử carbon và, với ethylene, tạo ra các phân tử propylene (C3H6) 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 ở dạng hoạt động trở nên khó khăn.
Các nhà hóa học John Hartwig và RJ Conk thảo luận về thiết bị thí nghiệm khử nhựa thành tiền chất monome, sau đó có thể được sử dụng để tạo ra nhựa mới. Ảnh do Robert Sanders, UC Berkeley cung cấp.
Trong quy 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 cho các quy trình dòng chảy liên tục tái sử dụng chất xúc tác. Các quy trình dòng chảy liên tục có thể được mở rộng để xử lý khối lượng lớn vật liệu.
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 có thể phá vỡ hoặc làm nứt hiệu quả nhiều loại chuỗi polyme polyolefin, để lại một trong hai mảnh có liên kết đôi cacbon-cacbon phản ứng ở cuối. Một chất xúc tác thứ hai, oxit vonfram trên silica, đã thêm nguyên tử cacbon vào cuối chuỗi vào khí etylen, liên tục được truyền qua buồng phản ứng, để tạo thành phân tử propylen. Quy trình sau, được gọi là metathesis olefin, để lại
đằng sau một liên kết đôi 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 sự kết hợp của propen và một loại hydrocarbon gọi là isobutylene. Isobutylene được sử dụng trong ngành công nghiệp hóa chất để tạo ra polyme cho các sản phẩm từ bóng đá đến mỹ phẩm và để tạo ra các chất 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.
"Bạn không thể tìm thấy chất nào rẻ hơn natri", Hartwig cho biết. "Và vonfram là một kim loại có nhiều trong đất được sử dụng trong ngành công nghiệp hóa chất ở quy mô lớn, trái ngược với chất xúc tác kim loại rutheni của chúng tôi nhạy hơn và đắt hơn. Sự kết hợp của 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 sản lượng propen cao hơn từ etylen và sự kết hợp của propen và isobutylene từ polypropylen so với những chất xúc tác phức tạp và đắt tiền hơn mà chúng tôi đã làm với những chất xúc tác 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 có thể phá vỡ trong polyme, đây là một đặc điểm trong quy trình trước đó của các nhà nghiên cứu nhằm phân hủy polyethylene. Các liên kết đôi như vậy là điểm yếu của polyme, giống như các liên kết carbon-oxy phản ứng trong polyester hoặc PET giúp nhựa dễ tái chế hơn. Polyetylen và polypropylene không có điểm yếu này — chuỗi dài các liên kết carbon đơn của chúng rất bền.
Ví dụ về các loại nhựa mà quy trình mới có thể xử lý. Từ trái sang phải, một chiếc bình làm bằng polyethylene mật độ cao, một ống nghiệm polypropylene và một túi đựng bánh mì polyethylene mật độ thấp. Các con số bên dưới mỗi hình ảnh là tỷ lệ phần trăm sản lượng monome có thể được sử dụng để tạo ra polyme nhựa mới. Ảnh do John Hartwig và RJ Conk, UC Berkeley cung cấp.
Hartwig cho biết: "Hãy nghĩ về polyme polyolefin như một chuỗi ngọc trai". "Các khóa ở cuối ngăn không cho chúng rơi ra. Nhưng nếu bạn kẹp sợi dây 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%. Chỉ 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 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, nhưng một lượng nhỏ PET và polyvinyl clorua — PVC — làm giảm đáng kể hiệu suất. Tuy nhiên, điều này có thể không phải là vấn đề, vì 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 thiết kế lại nhựa từ đầu để dễ dàng tái sử dụng, thì các loại nhựa khó tái chế hiện nay sẽ là vấn đề trong nhiều thập kỷ.
"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 kỷ nữa. Polyolefin rẻ và có đặc tính tốt, vì vậy mọi người đều sử dụng chúng", Hartwig cho biết. "Mọi người nói rằng nếu chúng ta có thể tìm ra cách để làm cho chúng tuần hoàn, thì đó sẽ là một vấn đề lớn, và đó là những gì chúng ta đã làm. Người ta có thể bắt đầu tưởng tượng ra một nhà máy thương mại có thể làm được điều này".
Các đồng tác giả khác của bài báo là các sinh viên sau đại học Jules Stahler, Jake Shi, Natalie Lefton và John Brunn của UC Berkeley và Ji Yang của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley. Shi, Hartwig và Bell cũng có liên kết với Phòng thí nghiệm Berkeley. Công trình này được tài trợ bởi Bộ Năng lượng (DE-AC02-05CH11231).
