Tương lai của chất dẻo
Chất dẻo rất tiện lợi, được sử dụng rộng rãi trong cả đời sống và sản xuất nhưng đồng thời, cũng đang gây ra hệ quả lớn với môi trường. Một vấn đề đang được chú ý hiện nay là tìm kiếm vật liệu phân hủy sinh học thay thế cho nhựa dẻo. Liệu polymer phân hủy sinh học (biodegradable) có trả lời được câu hỏi đó?
Hệ quả lớn với môi trường
Thuở ban đầu, chất dẻo được ca ngợi là một vật liệu kỳ diệu. Sau 80 năm đổi mới ngành chất dẻo trong cả công nghiệp và nghiên cứu, việc sản xuất chất dẻo hàng loạt đã thành công và đã đưa tới cách mạng hóa tiêu dùng từ sau Chiến tranh Thế giới thứ II. Gần như tất cả các ngành công nghiệp trên thế giới đều sử dụng chất dẻo, từ sản xuất bao bì thực phẩm đến thăm dò không gian, chất dẻo là vật liệu tiện lợi nhất. Trong ngành công nghiệp chất dẻo, các chất dẻo quen thuộc gồm có polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS) và polyvinyl chloride (PVC).
Chất dẻo được sản xuất dễ dàng đã góp phần tạo ra hàng hóa giá rẻ, nhưng có tới 90% sản phẩm từ nhựa dẻo được sử dụng một lần và sau đó bỏ đi. Điều này đã tạo ra một cuộc khủng hoảng môi trường mang tính toàn cầu. Kể từ cuộc cách mạng chất dẻo, cả thế giới đã tạo ra 6,3 tỷ tấn chất thải nhựa. Chất thải nhựa chiếm khoảng 79% trong các bãi rác và hằng năm 2,41 triệu tấn chất thải nhựa bị xả ra các con sông rồi trôi ra ngoài đại dương. Tính bền là một trong những đặc điểm tuyệt vời nhất của chất dẻo nhưng giờ đây cũng là điều tồi tệ nhất – nó khiến chất dẻo tồn tại ngoài môi trường tới hàng trăm năm. Thậm chí khi bị phân hủy, chất dẻo không bao giờ thực sự biến mất mà chỉ trở thành những mảnh vi nhựa (microplastics) mà mắt thường không thấy được. Những mẩu nhựa này làm nghẹt đường thở của các sinh vật biển và phá hủy chuỗi thức ăn.
Tiết giảm và tái chế nhựa là chưa đủ
Tiết giảm, tái sử dụng và tái chế được coi như phương pháp đối phó với tình trạng gia tăng chất thải nhựa. Lý tưởng nhất là, có thể tạo ra một vòng tuần hoàn trong sử dụng chất dẻo, trong đó 100% vật dụng bằng nhựa có thể tái chế và được sử dụng lâu nhất có thể, do vậy chất thải tạo ra sẽ ở mức thấp nhất. Tuy nhiên, rất khó để đạt được điều đó. Mặc dù có những tiến bộ trong tái chế ở cấp độ phân tử, cho phép những chất dẻo khác loại có thể được tái chế cùng nhau, nhưng tái chế có nhiều hạn chế như: tốn nhiều chi phí, quá trình tái chế sản xuất ra những vật liệu có chất lượng thấp hơn về đặc tính cơ học và nhiệt. Hơn nữa, việc này lại dựa vào sự thay đổi trong ý thức của con người; hiệu quả tái chế liên quan chặt chẽ tới việc thay đổi lối sống hiện tại của chúng ta trong việc sử dụng chất dẻo. Trong khi đó, tái chế không làm giảm thói quen sử dụng chất dẻo.
Những thành công gần đây trong tiết giảm rác thải nhựa từ túi đựng hàng (PE) và chai nước nhựa (PET) ở châu Âu cho thấy việc điều chỉnh lối sống cũng khả thi, nhưng chất dẻo đã ăn sâu vào xã hội hiện đại và khó có một tương lai không chất dẻo. Khó có thể thay đổi hoàn toàn cách ứng xử của con người, bằng chứng là chỉ có 9% chất thải nhựa được tái chế. Bởi vậy bên cạnh ba giải pháp cho vấn đề chất thải nhựa (tiết giảm, tái sử dụng và tái chế), chúng ta cần có thay đổi về mặt công nghệ nhằm tác động mạnh mẽ hơn tới vấn đề chất thải nhựa đang bị thải ngoài môi trường. Một tương lai mới dành cho chất thải nhựa – polymers phân hủy sinh học thay thế chất dẻo hiện nay có thể là câu trả lời.
Polymer phân hủy sinh học: vẫn còn nhiều thách thức
Polymers phân hủy sinh học có thể phá vỡ thành những phân tử nhỏ hơn, như CO2, CH4 và H2O nhờ vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí hoặc kị khí. Có nhiều loại polymers phân hủy sinh học, một số được sản xuất từ thực vật, động vật hoặc vi sinh vật, một số khác hoàn toàn là tổng hợp (nhân tạo). Polymers phân hủy sinh học tổng hợp phổ biến nhất là polylactide (PLA), polyglycolide (PGA), polycaprolactone(PCL), polyhydroxyalkanoates (PHA), poly(butylene succinate) (PBS) and poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT).
PLA được coi là một trong những ứng cử viên hứa hẹn nhất để thay thế chất dẻo hiện tại. Không giống những polymers phân hủy sinh học khác và chất dẻo hiện nay được làm từ các hóa dầu, PLA được tạo ra từ các nguồn nguyên liệu bền vững (axit lactic từ thực vật như ngô, sắn). Độ bền cơ học và ít độc hại là những đặc tính tốt giúp PLA dễ ứng dụng làm bao gói và các ứng dụng y sinh. Tuy nhiên, nếu polymers phân hủy sinh học PLA được sản xuất ở quy mô công nghiệp, có thể dẫn tới xung đột do thiếu đất sản xuất lương thực. PLA cũng có một nhược điểm trầm trọng – đặc tính nhiệt kém đã giới hạn khả năng ứng dụng ở nhiệt độ cao trên 60 °C.
Mặc dù vẫn còn những hạn chế, tầm quan trọng của PLA vẫn không hề suy giảm bởi nó có thời gian phân hủy nhanh hơn so với chất dẻo thông thường (12 tháng). Nếu được sử dụng trên quy mô công nghiệp, PLA được kỳ vọng sẽ hạn chế được tác động xấu tới môi trường. Tuy nhiên, quá trình này cần có vi sinh vật (nếu không thì thời gian phân hủy sẽ kéo dài hơn). Các phân tử nhỏ hình thành trong suốt quá trình phân hủy không ảnh hưởng tới môi trường như những vi nhựa nhưng cũng có những lo ngại rằng chúng sẽ làm tăng thêm khí thải nhà kính (GHG). Nhưng lượng khí GHG phát thải trong quá trình sản xuất PLA lại thấp hơn so với quá trình sản xuất chất dẻo từ dầu mỏ hiện nay.
Trong thập kỷ vừa qua, mặc dù đã có nhiều nghiên cứu và bằng sáng chế về polymers phân hủy sinh học, đặc biệt là PLA nhưng sản xuất PLA vẫn chưa đạt được tới mức độ của PE, PET và PP bởi chi phí sản xuất cao.
Trước khi PLA hoặc các loại polymers phân hủy sinh học khác có thể thay thế chất dẻo, vẫn cần phải có nhiều nghiên cứu để giảm chi phí sản xuất. Các chính phủ, xã hội và nền công nghiệp cần rút kinh nghiệm từ các bài học rằng sản xuất các vật liệu mới phải tính đến nguồn nguyên liệu của chúng, vòng đời sản phẩm, khả năng mở rộng quy mô sản xuất và các đặc tính của vật liệu. Đồng thời, nhất thiế cần hợp tác giữa các ngành công nghiệp và giới học thuật, mà còn cần có sự kết hợp giữa các ngành khác nhau (hóa học, kỹ thuật, khoa học vật liệu, sinh đại hóa học và khoa học khí hậu).
Thanh An lược dịch
Nguồn bài và ảnh: https://www.nature.com/articles/s41467-018-04565-2
