Nhựa sinh học được tái chế thành phân bón
Nhựa làm thay đổi thế giới trong thế kỷ qua, được ứng dụng trong hầu hết mọi khía cạnh của cuộc sống. Nhưng sự gia tăng chóng mặt của các polymer tổng hợp, cơ sở của chất dẻo gây ra những vấn đề ô nhiễm nghiêm trọng môi trường.
Nguy cơ tồi tệ nhất là sử dụng quá nhiều các hợp chất hóa dầu và sự thải bỏ ồ ạt các vật liệu khó phân hủy không tái chế. Chỉ 14% tổng số rác thải nhựa được tái chế, không tạo ảnh hưởng đánh kể đến giảm thiểu ô nhiễm không gian sinh tồn.
Để giải quyết vấn đề hóc búa về nhựa, thế giới cần phát triển các hệ thống “vòng tròn”, những nguyên liệu nguồn được sử dụng để sản xuất nhựa sẽ quay vòng sau khi thải bỏ và tái chế. Tại Viện Công nghệ Tokyo, một nhóm nhà khoa học do PGS Daisuke Aoki và GS Hideyuki Otsuka dẫn đầu đang tiên phong cho một khái niệm mới.
Trong quy trình chế tạo thân thiện với môi trường, nhựa được sản xuất bằng phương pháp sử dụng sinh khối (nhựa sinh học), sau khi thải loại được tái chế hóa học trở lại thành phân bón. Nghiên cứu này được công bố ngày 28/10/2021 trên tạp chí Green Chemistry của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia, tập trung nghiên cứu những công nghệ bền vững và thân thiện môi trường.
Nhóm nghiên cứu tập trung vào poly (isosorbide carbonate), hay “PIC”, một loại polycarbonate sinh học, thu hút được nhiều sự quan tâm như một chất thay thế cho polycarbonate gốc dầu mỏ. PIC được sản xuất trên cơ sở sử dụng một vật liệu không độc hại có nguồn gốc từ glucose, được gọi là isosorbide (ISB), một monome. Điểm đặc biệt là những liên kết cacbonat với các đơn vị ISB có thể bị cắt đứt bằng phương pháp sử dụng amoniac (NH3) trong quy trình “phân giải ammonolysis”.
Sản phẩm phân bón từ nhựa sinh học tốt cho cây trồng hơn phân urea
Quy trình này tạo ra urea, phân tử giàu nitrogen được sử dụng rộng rãi làm phân bón. Mặc dù phản ứng hóa học này không có gì bí mật trong hóa học, nhưng chưa có nhiều nghiên cứu về sự phân hủy polymer cho những ứng dụng tiềm năng của tất cả các sản phẩm phân hủy chứ không chỉ là các monome.
Các nhà khoa học nghiên cứu quá trình phân giải hoàn toàn PIC, được thực hiện trong nước ở điều kiện ôn hòa (30°C và áp suất khí quyển) nhằm tránh sử dụng dung môi hữu cơ và quá nhiều năng lượng. Nhóm nghiên cứu phân tích chi tiết tất cả những phản ứng của sản phẩm bằng nhiều phương tiện khác nhau, bao gồm quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân, quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier và sắc ký thấm gel.
Mặc dù nhóm nghiên cứu thành công sản xuất urea theo cách này, sự phân hủy của PIC không được hoàn toàn sau 24 giờ, nhiều dẫn xuất ISB vẫn còn tồn tại. Các nhà khoa học thử tăng nhiệt độ và nhận thấy, có thể đạt được sự phân hủy hoàn toàn trong khoảng sáu giờ ở 90°C. TS Aoki cho biết, phản ứng diễn ra không cần bất kỳ chất xúc tác nào, cho thấy quá trình phân giải PIC có thể dễ dàng thực hiện bằng sử dụng amoniac trong nước đun nóng. Quy trình tái chế hóa chất này vận hành đơn giản, thân thiện với môi trường.
Sử dụng các sản phẩm phân hủy của PIC làm phân bón giàu nitơ tạo ra một vòng lặp bền vững của nhựa sinh học.
Để chứng minh khái niệm, tất cả các sản phẩm phân hủy PIC đều có thể được sử dụng trực tiếp làm phân bón, nhóm tiến hành các thí nghiệm tăng trưởng thực vật với thực vật mẫu, cây Arabidopsis thaliana. Nhóm nghiên cứu phát hiện, cây được xử lý bằng tất cả những sản phẩm phân giải PIC phát triển tốt hơn so với cây chỉ được xử lý bằng urea.
Kết quả tổng thể của nghiên cứu này chứng minh được tính khả thi của ý tưởng phát triển hệ thống phân bón từ nhựa. Những hệ thống này không chỉ có thể hỗ trợ chống ô nhiễm và cạn kiệt tài nguyên, đồng thời góp phần đáp ứng nhu cầu lương thực ngày càng tăng của thế giới. Nghiên cứu này đại diện cho một cột mốc quan trọng trong xu hướng phát triển các vật liệu polymer bền vững và có thể tái chế trong tương lai không xa.
