Thế giới đang hướng tới vật liệu bền vững để bảo vệ hành tinh và phát triển. Những vật liệu có nguồn gốc sinh học là một trong những lựa chọn tiềm năng, nhưng yêu cầu chi phí phải phù hợp.

Sản phẩm in 3D từ nhựa sinh học, chế tạo từ chất thải lignin. Ảnh: Đại học Delaware.

Một nhóm các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Delaware (ĐHĐN) và các cộng tác viên từ CanmetENERGY, dưới sự chỉ đạo của GS Thomas H. Epps, III đang tập trung nghiên cưu mô hình kinh tế này, tìm phương pháp chuyển đổi sinh khối sau quy trình công nghiệp thành những sản phẩm mới. Một trong những vật liệu đó là lignin. Lignin là một thành phần của thảm thực vật và cây cối, cung cấp sức mạnh và độ cứng giúp hệ thực vật chống chọi với những tác động của thiên tai.

Nhóm nhà khoa học đã giới thiệu phương pháp mới trong một báo cáo khoa học xuất bản trên tạp chí Science Advances ngày 19/1/ 2022.

Trong ngành công nghiệp giấy và bột giấy, lignin là chất thải còn lại từ quy trình sản xuất các sản phẩm giấy. Loại lignin này, được gọi là lignin kỹ thuật, được coi là vật chất bẩn nhất trong các loại chất bẩn, không thể sử dụng được ngoại trừ đốt tạo nhiệt hoặc bổ sung vào cao su lốp xe làm chất độn.

Robert O'Dea, nghiên cứu sinh TS kỹ thuật hóa học tham gia chế tạo sản phẩm nhựa sinh học từ lignin trong phòng thí nghiệm của GS Thomas Epps. Ảnh: Đại học Delaware.

Theo nhóm nghiên cứu ĐHĐN, nguồn vật liệu này rất sẵn, khoảng 100 triệu tấn chất thải lignin kỹ thuật tạo ra hàng năm từ các nhà máy giấy và bột giấy trên khắp thế giới - có thể trở thành vật liệu có giá trị cao.

Nhóm nhà khoa học đã tìm được phương pháp mới, có thể biến chất thải công nghiệp lignin thành chất dẻo hiệu suất cao, chẳng hạn như nhựa in sinh học 3D và những hóa chất có giá trị. Những phân tích kinh tế và tính toán vòng đời sử dụng cho thấy, sản phẩm tạo ra thừ chất thải kỹ thuật này có thể cạnh tranh với các sản phẩm có nguồn gốc từ dầu mỏ.

Nghiên cứu được tài trợ từ Chương trình Nghiên cứu Hội tụ Ngày càng Phát triển của Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF GCR), nhằm giải quyết các vấn đề môi trường trên cơ sở hợp tác đa ngành, liên ngành.

“Khả năng thu hồi chất thải như lignin kỹ thuật, biến vật chất vô ích thành sản phẩm hữu ích, với chi phí và tác động môi trường thấp hơn nguyên liệu dầu mỏ là điều chưa từng làm được trước đây,” Epps, lãnh đạo chương trình NSF GCR tại UD, GS của Allan và Myra Ferguson về Kỹ thuật Hóa học và Phân tử Sinh học. chung trong Khoa Khoa học Vật liệu và Kỹ thuật.

Một thách thức chính trong chuyển hóa lignin là hầu hết các quy trình thực hiện đều hoạt động ở áp suất rất cao, dòi hỏi chi phí lớn và khó mở rộng quy mô sản xuất. Những hạn chế chính những kỹ thuật công nghiệp là những quan tâm về an toàn, chi phí vốn đầu tư và tiêu thụ năng lượng, liên quan trực tiếp đến dung môi, nhiệt độ và áp suất được sử dụng.

Nhóm nghiên cứu đã tìm được giải pháp giải quyết những khó khăn này, sử dụng glycerin thay thế methanol, dung môi truyền thống thường được sử dụng trong quá trình phân giải cấu trúc lignin, để quy trình này có thể được thực hiện ở áp suất khí quyển.

Glycerin là một chất rẻ tiền, được sử dụng trong mỹ phẩm lỏng, xà phòng, dầu gội và kem dưỡng ẩm do tính chất dưỡng ẩm. Sử dụng glycerin, nhóm nghiên cứu phá vỡ lignin thành các khối cấu trục hóa học, dùng để sản xuất nhiều loại sản phẩm trên cơ sở sinh học, từ nhựa in 3D đến các loại nhựa khác nhau, những hợp chất tạo hương thơm, chất chống oxy hóa, v.v.

Chữ UD lồng vào nhau, chế tạo từ nhựa in 3D, sản xuất từ sinh khối lignin kỹ thuật mang theo mùi hương. Ảnh Đại học Delaware

Glycerin có những chức năng hóa học tương tự như metanol, nhưng hoạt động ở áp suất hơi thấp hơn nhiều, loại bỏ sự cần thiết của một hệ thống đóng kín. Sự thay đổi này cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện đồng thời các bước phản ứng phân tách phân tử lignin, hình thành hệ thống phân giải an toàn và tiết kiệm hoạt động ở áp suất khí quyển.

Phương pháp này cung cấp một lộ trình đơn giản mở rộng quy mô sản xuất, cho phép quy trình hoạt động liên tục, sản xuất nhiều nguyên liệu trong một quy trình rẻ, nhanh và sử dụng ít nhân lực.

Trong nghiên cứu đánh giá tính khả thi của phương pháp mới về kinh tế. Nhóm nghiên cứu ĐHĐN chứng minh được, phương pháp áp suất thấp giảm chi phí sản xuất chất keo dán sinh học từ lignin gỗ mềm Kraft tới 60% so với quy trình sử dụng dung môi truyền thống với áp suất cao.  Lignin gỗ mềm Kraft là loại lignin chất thải kỹ thuật dồi dào nhất, tạo ra từ ngành công nghiệp giấy và bột giấy.