Phương pháp mới để tái chế một số loại nhựa phổ biến

Nghiên cứu sinh tiến sỹ Phạm Hoàng Phúc (Đại học Colorado Boulder, Mỹ) và các cộng sự đã phát triển một phương pháp mới để tái chế một loại nhựa phổ biến thường được sử dụng để làm chai nước ngọt cũng như làm bao bì sản phẩm hiện nay, mà không phá hủy tính chất vốn có của vật liệu.

Thế giới đang thải ra lượng rác thải nhựa gấp đôi so với hai thập kỷ trước. Phần lớn trong số đó không được xử lý đúng cách mà đi thẳng ra bãi rác, bị đốt hoặc rò rỉ ra môi trường – theo OECD, chỉ 9% số rác thải nhựa được tái chế thành công. Tại Việt Nam, hằng năm, ước tính có khoảng 2,8 đến 3,1 triệu tấn chất thải nhựa được thải ra trên đất liền.

Bên cạnh một trong những giải pháp quan trọng nhất để cắt giảm lượng rác thải nhựa là giảm thiểu việc sản xuất và sử dụng nhựa dùng một lần, liệu việc tái chế nhựa theo một cách hiệu quả hơn có thể trở thành một giải pháp khả thi không? Câu hỏi này đã trở thành một chủ đề nghiên cứu được rất nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm, và mới đây, nghiên cứu sinh tiến sỹ Phạm Hoàng Phúc (Đại học Colorado Boulder, Mỹ) và các cộng sự đã công bố một phương pháp mới có thể giúp tái chế nhựa bằng điện. Kết quả nghiên cứu đã được nhóm trình bày trong bài báo “Electricity-driven recycling of ester plastics using one-electron electro-organocatalysis” trên tạp chí Chem Catalysis.

Thay đổi cách tái chế

“Chúng ta thường tự xoa dịu mình khi ném một thứ [rác thải] nào đó vào thùng tái chế, song thực tế, hầu hết loại nhựa được cho là có thể tái chế lại không bao giờ được tái chế”, TS. Oana Luca – trợ lý giáo sư tại Khoa Hóa học, Đại học Colorado Boulder – cho biết trong bản tin của trường về nghiên cứu mới của nhóm.

Dưới góc nhìn của nhà nghiên cứu này, các thùng tái chế dù có vẻ như là một giải pháp tốt cho vấn đề nhựa, song thực tế, hầu hết các đô thị trên khắp thế giới vẫn đang phải vật lộn để thu gom và phân loại các núi rác mà người dân thải ra hằng ngày. Kết quả là, tại Mỹ, chưa đến một phần ba tổng số nhựa polyethylene terephthalate – PET (nhựa được dùng phổ biến trong các sản phẩm tiêu dùng và được cho là có thể tái chế) thực sự được tái chế. Con số này thậm chí còn thấp hơn nữa đối với với các loại nhựa khác. Thêm vào đó, các phương pháp hiện nay như nấu chảy chất thải nhựa hoặc hòa tan nó trong axit còn có thể làm thay đổi tính chất của vật liệu.

Giải thích kỹ hơn về các cách thức tái chế, nhóm nghiên cứu cho biết, hiện nay việc tái chế PET có thể được chia thành bốn phương pháp: tái chế sơ cấp, tái chế cơ học, tái chế hóa học và tái chế bậc bốn. Trong đó, tái chế cơ học – sử dụng nhiệt và lực cơ học để phá vỡ polyme và sau đó kết hợp chúng thành một vật liệu khác có thể sử dụng được – “là phương pháp phổ biến nhất trong bốn phương pháp. Người ta ước tính khoảng 75% nhựa thu hồi ở Anh và Mỹ được tái chế cơ học”, nhóm nghiên cứu viết trong bài báo. Mặc dù có nhiều cách để tái chế nhựa như vậy, các phương pháp tái chế phổ biến nhất lại không bền vững vì chúng không cung cấp các monome (đơn vị cấu tạo nên polymer) cần thiết để sản xuất nhựa mới.

“Vậy là cuối cùng, quy trình tái chế này sẽ làm thay đổi cơ chế của vật liệu”, TS. Luca cho biết. “Với các phương pháp tái chế hiện tại, chẳng hạn, nếu bạn nấu chảy một chai nhựa thì thứ bạn sản xuất ra có thể là một trong những túi nhựa dùng một lần”.

Ngược lại, TS. Luca và nhóm của mình lại muốn tái chế theo một cách khác: tìm cách tận dụng những nguyên liệu cơ bản từ chai nhựa cũ để làm ra chai nhựa mới – có nghĩa là vẫn giữ được tính chất của vật liệu. Theo TS. Luca, đây là một cách nghĩ hoàn toàn mới về các khả năng tái chế rác thải. “Chúng tôi muốn tìm ra một phương pháp để có thể phục hồi các vật liệu phân tử, các khối cơ bản của nhựa, từ đó có thể sử dụng lại chúng”, TS. Luca cho biết.

Đặt nền móng cho phương pháp mới

Để có thể tiến gần đến mục tiêu này, nhóm nghiên cứu đã đi theo một hướng tiếp cận khác – sử dụng một quá trình gọi là điện phân – hay sử dụng điện để phá vỡ các phân tử. Nhóm tập trung vào nhựa PET – loại nhựa mà người tiêu dùng gặp hằng ngày trong chai nước, vỉ thuốc và thậm chí cả một số loại vải polyester.

Thực tế, từ lâu, các nhà hóa học đã biết rằng họ có thể đặt một điện áp vào các cốc chứa đầy nước và muối để tách các phân tử nước thành khí hydro và oxy. Tuy nhiên, nhựa PET – loại nhựa bao gồm đơn vị monome lặp lại (C10H8O4)n và có trọng lượng phân tử trung bình rơi vào khoảng 20.000 đến 30.000 g/mol – lại khó để “phân tách” hơn nước rất nhiều.

Để làm được điều này, trong nghiên cứu mới với các thí nghiệm ở quy mô nhỏ, nghiên cứu sinh Hoàng Phúc – tác giả thứ nhất của bài báo – đã nghiền nát chai nhựa sau đó trộn bột nhựa này cùng với một dung dịch. Tiếp đó, anh và các đồng nghiệp đã thêm một thành phần bổ sung – một phân tử đặc biệt được gọi là muối [N-DMBI]+ vào dung dịch. Giải thích về quy trình trên, nghiên cứu sinh Hoàng Phúc cho biết, khi có điện, phân tử này tạo thành một “chất trung gian phản ứng” có thể tặng thêm electron cho PET, khiến các hạt nhựa bị bong ra. Nói theo cách khác, phương pháp của nhóm dựa vào điện và một số phản ứng hóa học đủ đơn giản để có thể quan sát nhựa phân huỷ ra ngay trước mắt mình.

Hiện nay, nhóm nghiên cứu vẫn đang cố gắng để tìm hiểu chính xác các phản ứng này diễn ra như thế nào. Tuy nhiên, nhóm đã có thể chia PET thành các khối xây dựng cơ bản của nó, sau đó có thể phục hồi lại và sử dụng để tạo ra một vật mới. Dù còn rất nhiều việc phải làm trước khi phương pháp tái chế mới của nhóm nghiên cứu có thể thực sự góp phần giải quyết được vấn đề rác thải nhựa trên thế giới, song “thật thú vị khi được chứng kiến các ​​rác thải – vốn có thể đọng lại hàng thế kỷ – nay lại biến mất chỉ sau vài giờ hoặc vài ngày”, nghiên cứu sinh Hoàng Phúc chia sẻ trong bản tin của Đại học Colorado Boulder. “Thật tuyệt vời khi thực sự quan sát được tiến trình phản ứng trong thời gian thực. Dung dịch này đầu tiên chuyển sang màu hồng đậm, sau đó trở nên trong suốt khi polyme vỡ ra”, anh nói thêm.

Với việc sử dụng các thiết bị trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu cho biết, họ có thể phân hủy khoảng 40 miligam – tương đương với một nhúm nhỏ – PET trong vài giờ. “Mặc dù đây là một khởi đầu tuyệt vời nhưng chúng tôi cho rằng còn phải nghiên cứu thêm rất nhiều để tối ưu hóa quy trình cũng như mở rộng quy mô để cuối cùng phương pháp này có thể được áp dụng ở quy mô công nghiệp”, nghiên cứu sinh Hoàng Phúc cho biết. Ở tương lai xa hơn, TS. Luca mường tượng, “nếu có cơ hội biết đâu tôi sẽ sử dụng những phương pháp điện hóa này để phân hủy nhiều loại nhựa khác nhau cùng một lúc. Bằng cách đó, chúng ta có thể đến những bãi rác khổng lồ trong đại dương, kéo tất cả chất thải vào lò phản ứng và thu hồi rất nhiều phân tử hữu ích”.

“Chúng tôi đã sử dụng kiến ​​thức thu được từ điện hóa và điện phân các chất tương tự phân tử được tổng hợp độc lập của PET để chứng minh quá trình khử polyme điện hóa của nhựa PET. Đây là ví dụ đầu tiên về chất trung gian khử một electron hữu cơ được tạo ra bằng điện hóa, có thể hoạt động như một chất xúc tác cho sự phá vỡ các liên kết có mục tiêu phân tử, được kích hoạt bằng oxi hóa khử trong các đại phân tử như chất thải nhựa. Chúng tôi vẫn đang mong chờ sự phát triển mới trong lĩnh vực này”, nhóm nghiên cứu viết trong bài báo mới công bố.

Lê Anh Vũ