Công nghệ mới biến rác thải nhựa thành nguyên liệu thô giá trị cao

Chuyển đổi polyetylen thành alkylaromatic có giá trị cao

Các nhà nghiên cứu thuộc Đại học California Santa Barbara (UC Santa Barbara), Susannah Scott và Mahdi Abu-Omar, nỗ lực tìm cách thay đổi mô hình công nghệ nhựa bằng phương pháp xúc tác một nồi hấp, nhiệt độ thấp nhằm chuyển đổi polyetylen - loại polymer có trong 1/3 tổng số chất dẻo được sản xuất với giá trị toàn cầu khoảng 200 tỷ đô la mỗi năm - thành các phân tử  alkylaromatic có giá trị cao, thành phần cơ bản của nhiều hóa chất công nghiệp và sản phẩm tiêu dùng.

Đây có thể sẽ là động lực để phát triển ngành công nghiệp tái chế chất thải nhựa với lợi ích hấp dẫn và thiết thực hơn, có hiệu quả làm sạch môi trường.

Theo bà Scott, giáo sư hóa học và kỹ sư hóa tại UC Santa Barbara, Chủ tịch UCSB Mellichamp về Chế tạo chất xúc tác Bền vững, có rất nhiều yếu tố tích cực của nhựa mà chúng ta phải quan tâm. Đồng thời, cũng tạo ra vấn đề thực sự nghiêm trọng, sự ô nhiễm môi trường từ rác thải nhựa.

Đặc chưng của nhựa là là tính trơ về hóa học, không phản ứng với những thành phần khác của môi trường.

Ta đặt một đường ống nước xuống đất và 100 năm sau, đào lên, đường ống vẫn bền vững và cung cấp nguồn nước hoàn toàn an toàn. Nhưng tính trơ trước những tác động lý hóa khiến nhựa chậm phân hủy tự nhiên và muốn phân hủy nhựa nhân tạo cần rất nhiều năng lượng.

Giáo sư kỹ thuật hóa học Abu-Omar, chuyên gia về xúc tác năng lượng và là Chủ tịch UCSB Mellichamp về Hóa học Xanh, giải thích, nhựa được chế tạo từ các liên kết carbon-carbon và carbon-hydro, rất khó tái chế trên phương diện hóa học.

Đã có nhiều công trình nghiên cứu để chuyển hóa chất dẻo thành các sản phẩm khác thân thiện môi trường, nhưng chi phí năng lượng lớn “trở thành chướng ngại vật không thể bỏ qua trong thời gian dài”. Quy trình công nghệ chuyển đổi các sản phẩm nhựa thành những phân tử có giá trị cao cũng bị hạn chế do sản phẩm, được chiết xuất từ dầu mỏ rẻ hơn.

Điều đó có nghĩa là, nếu có thể chuyển đổi trực tiếp các polymer thành những phân tử giá trị cao hơn và giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong quá trình chuyển hóa, đây sẽ là một quy trình hoàn hảo giá trị cao, rẻ hơn so với chiết xuất từ dầu mỏ và lại làm sạch hơn môi trường.

Phương pháp xúc tác song song

Từ ý tưởng này, các nhà khoa học sáng tạo một phương pháp xúc tác song song mới, không chỉ tạo ra những phân tử alkylaromatic có giá trị cao trực tiếp từ nhựa polyetylen phế thải mà còn hoạt động hiệu quả, rẻ hơn với nhu cầu tiêu thụ năng lượng thấp.

Chuyển hóa Polyethylene thành các phân tử alkylaromatic giá trị cao.

Trong nghiên cứu thử nghiệm, các nhà khoa học đã hạ nhiệt độ quá trình chuyển hóa xuống hàng trăm độ. Các phương pháp thông thường, yêu cầu cần nhiệt độ từ 500 - 1000°C để phá vỡ chuỗi polyolefin thành các mảnh nhỏ và chuyển đổi thành sản phẩm hỗn hợp bao gồm khí gas, chất lỏng và than cốc. Trong khi đó, phương pháp sử dụng xúc tác mới thì nhiệt độ tối ưu cho quá trình trong khoảng 300°C”.

Điều kiện phản ứng tương đối nhẹ giúp phá vỡ các polymer theo cách chọn lọc đến cấp độ các phân tử lớn hơn trong phạm vi chất mỡ bôi trơn. Các nhà nghiên cứu cũng  bỏ qua được một số bước trong quy trình, không thực hiện nhiều chuyển đổi hóa học mà trong phương pháp thông thường phải thực hiện.

Quá trình này không yêu cầu dung môi hoặc hydro bổ sung, chỉ sử dụng chất xúc tác platin được hỗ trợ bằng xúc tác alumin (Pt/Al2O3), tạo phản ứng song song, vừa phá vỡ các liên kết carbon-carbon vững chắc vừa sắp xếp lại “khung” phân tử polymer, hình thành cấu trúc vòng sáu cạnh đặc trưng của phân tử alkylaromatic có giá trị cao, sử dụng rộng rãi trong dung môi, sơn, chất bôi trơn, chất tẩy rửa, dược phẩm và nhiều sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng khác.

Nhà hóa học Fan Zhang thuộc phòng thí nghiệm Susannah Scott cho biết thêm: “Việc hình thành các phân tử thơm từ các hydrocacbon nhỏ rất khó. trong quá trình hình thành chất thơm từ polyolefin, hydro được coi như sản phẩm phụ và được sử dụng để cắt các chuỗi polyme cho toàn bộ quá trình chuyển hóa thuận lợi. Nhờ đó thu được các alkylaromatics (phân tử alkyl thơm) chuỗi dài, đó là kết quả tuyệt vời”.