Nhiều triệu tấn rác thải nhựa cuối cùng bị đưa vào các bãi chôn lấp mỗi năm. Đây là một vấn đề xã hội lớn và là nguy cơ phá hủy, gây nhiễm độc môi trường sống đối với toàn thế giới.

 Tại Mỹ, chỉ có gần 9% chất thải nhựa được tái chế. Còn lại hơn 75% chất thải nhựa bị đưa vào các bãi chôn lấp và tới 16% bị đốt cháy, xả thải khí độc vào bầu khí quyển gây ô nhiễm môi trường.

Các nhà khoa học thuộc Trung tâm Đổi mới Chất dẻo (CPI) Đại học Delaware (UD) thành công phát triển một giải pháp, trực tiếp chuyển đổi chất thải nhựa sử dụng một lần, nguyên nhân chính tạo ra rác thải nhựa như túi nhựa, hộp đựng sữa chua, chai nhựa, nắp chai, bao bì, v.v. sang dạng phân tử sẵn sàng sử dụng để sản xuất nhiên liệu phản lực, dầu diesel và vật liệu bôi trơn.

Công trình khoa học được đăng tải trên tạp chí Science Advances ngày 21/4, tập trung vào phương pháp sử dụng một chất xúc tác mới và quy trình độc đáo, nhanh chóng phá vỡ những loại nhựa khó tái chế nhất là polyolefin. Polyolefin chiếm 60 đến 70% tất cả các loại nhựa được sản xuất trên thế giới.

Quy trình do nhóm nghiên cứu Đại học Delaware (UD) phát triển yêu cầu năng lượng ít hơn khoảng 50% so với các công nghệ khác, không xả thải carbon dioxide vào khí quyển, giảm thiểu khí thải hơn so với những kỹ thuật thường được sử dụng.

Công nghệ này có thể được thực hiện chỉ trong vài giờ ở nhiệt độ thấp, gần 250 độ C. Nhiệt độ này cao hơn một chút so với nhiệt độ lò nướng 450 độ F thường sử dụng trong gia đình. Đặc điểm quan trọng của phương pháp mà nhóm nghiên cứu UD phát triển là có thể xử lý nhiều loại nhựa khác nhau ngay cả khi bị trộn lẫn, đơn giản hóa rất nhiều trong công nghiệp tái chế rác.

Dion Vlachos, nghiên cứu  viên chính của dự án, giáo sư Kỹ thuật Hóa học và Phân tử Sinh học của Unidel Dan Rich, giám đốc Viện năng lượng Delaware và Trung tâm xúc tác Đổi mới năng lượng UD cho biết: “Chuyển đổi hóa học là phương pháp tiếp cận linh hoạt và hiệu quả nhất giải quyết chất thải nhựa.

Những thành viên tham gia công trình nghiên cứu là Sibao Liu, phó giáo sư kỹ thuật hóa học và công nghệ tại Đại học Thiên Tân; Pavel Kots, nghiên cứu viên của CPI; Brandon Vance, sinh viên đã tốt nghiệp UD; Andrew Danielson, sinh viên năm cuối chuyên ngành kỹ thuật hóa học UD.

Tạo các phân tử sẵn sàng sử dụng cho nguyên liệu

Nhóm nghiên cứu UD sử dụng một quy trình hóa học, được gọi là hydrocracking phá vỡ các hạt nhựa rắn thành những phân tử carbon nhỏ hơn và thêm các phân tử hydro vào hai đầu để ổn định nguyên vật liệu cho sử dụng.

Quy trình Hydrocracking phá vỡ các hạt nhựa rắn

Quá trình đứt vỡ bằng xúc tác không phải là mới. Các nhà máy lọc dầu sử dụng quy trình này để chuyển hóa dầu thô nặng thành nhiên liệu. Nhưng phương pháp của nhóm nghiên cứu không chỉ phá vỡ các hạt nhựa mà còn biến đổi vật liệu thành những phân tử nhánh, cho phép dịch chuyển trực tiếp thành sản phẩm cuối cùng.

Quy trình chuyển hóa rác thải nhựa thành nhiên liệu và sản phẩm giá trị cao

Giáo sư Vlachos giải thích: “Công nghệ này chuyển hóa nhựa thành các phân tử sẵn sàng sử dụng để sản xuất dầu nhờn hoặc nhiên liệu có giá trị cao. Chất xúc tác, đóng vai trò then chốt trong công nghệ này là vật liệu lai ghép, sự kết hợp của zeolit và hỗn hợp các oxit kim loại.”

Khoáng chất Zeolit có những đặc tính giúp tạo ra các phân tử phân nhánh rất hiệu quả. Zeolit được sử dụng trong hệ thống lọc hoặc làm mềm nước và chất tẩy rửa gia đình, nơi chúng chống lại các khoáng chất như canxi và magiê, làm cho nước cứng trở nên mềm hơn và quá trình giặt giũ sạch hơn.

Hỗn hợp các oxit kim loại có khả năng phá vỡ các phân tử lớn với liều lượng vừa đủ. Hai chất xúc tác này hoạt động riêng biệt có hiệu quả kém. Nhưng nếu kết hợp cả hai sẽ tạo nên điều kỳ diệu, phá vỡ hoàn toàn cấu trúc hạt nhựa cứng.

Sử dụng công nghệ và vật liệu sẵn có, rẻ và phong phú, phương pháp do CPI phát triển có ưu thế hơn hẳn so với các kỹ thuật hiện nay đang sử dụng. Ông Vlachos nhấn mạnh rằng cần phải tiến hành nhiều nghiên cứu hơn để chuyển các phương pháp khoa học này sang ngành công nghiệp.

Ông nói: “Đây không phải là những vật liệu đặc thù, vì vậy chúng ta có thể nhanh chóng ứng dụng công nghệ này vào thực tế. Ông và Liu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế tạm thời về chất xúc tác sinh học mới và phương pháp độc đáo thông qua Văn phòng Đối tác và Đổi mới Kinh tế của UD.

Những giải pháp bền vững, nền kinh tế tuần hoàn

Giảm chất thải nhựa bằng phương pháp chuyển hóa hóa học thành nhiên liệu đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn, những vật liệu phế thải được tái chế thành sản phẩm mới chứ không xả thải ra môi trường. Các thành phần tái chế từ nhựa được sử dụng để chế tạo nhiên liệu, nhóm sản phẩm có giá trị cao hơn sẽ tạo ra lợi ích cả về kinh tế và môi trường.

Giám đốc CPI LaShanda Korley, Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu và Kỹ thuật Hóa học và Phân tử UD phát biểu: “Phương pháp tiếp cận xúc tác sáng tạo này là một bước tiến đáng kể đối với các quá trình khử phân tử, mở ra một lộ trình mới xác định giá trị thực của chất thải nhựa. "

Những bước tiếp theo của CPI trong công trình nghiên cứu là xác định những loại nhựa nào mà phương pháp của nhóm có thể xử lý và những sản phẩm có thể tạo ra. Nhóm nghiên cứu của ông Vlachos hy vọng sẽ mở rộng hợp tác với các đồng nghiệp trong trường và trong Trung tâm đổi mới chất dẻo nhằm khám phá các công nghệ khác, cho phép tạo ra các sản phẩm có giá trị, tái chế lại chất thải.

Vlachos nói: “Khi nền kinh tế vòng tròn được phát triển, thế giới sẽ sản xuất ít nhựa nguyên chất hơn vì sẽ tái sử dụng các vật liệu được tạo ra. Một mục tiêu khác là phát triển các phương pháp để cải thiện chính quá trình tái chế. Chúng tôi muốn sử dụng điện xanh để thực hiện quá trình xử lý hóa học rác thải nhựa để tạo ra những sản phẩm mới, đó là mục tiêu của chúng ta trong vòng 10 đến 20 năm tới".