Cách Chúng Tôi Biến Rác Thải Nhựa Thành Giấm: Đột Phá Sử Dụng Ánh Nắng

(MENAFN- The Conversation) Nhựa là một trong những vật liệu bền bỉ nhất mà con người từng tạo ra. Độ bền đó đã khiến nó trở nên không thể thiếu trong y học, bao bì thực phẩm và vận chuyển. Nhưng nó cũng đã tạo ra một trong những vấn đề môi trường nổi bật nhất mà chúng ta từng phải đối mặt.

Mỗi năm, trên toàn cầu có hàng trăm triệu tấn nhựa được sản xuất. Phần lớn trong số đó kết thúc ở bãi chôn lấp, lò đốt hoặc môi trường tự nhiên, nơi nó có thể tồn tại trong nhiều thế kỷ.

Các phương pháp chúng ta có để loại bỏ ô nhiễm nhựa đều có nhược điểm. Chôn lấp đồng nghĩa với việc các chất hóa học và vi nhựa có thể thấm vào môi trường xung quanh.

Đốt cháy sẽ thải ra các khí thải và độc chất có hại. Tái chế cơ học thường làm “hạ cấp” nhựa thành các sản phẩm có giá trị thấp hơn, trong khi tái chế hóa học thường cần nhiệt độ cao, áp suất cao và lượng năng lượng lớn.

Các đồng nghiệp và tôi gần đây đã công bố nghiên cứu khám phá một khả năng hoàn toàn khác: sử dụng ánh sáng mặt trời và chất xúc tác dựa trên sắt để chuyển đổi trực tiếp rác thải nhựa thông thường thành axit axetic - thành phần chính của giấm và cũng là một hóa chất công nghiệp quan trọng.

Thay vì chỉ coi nhựa là rác thải, nghiên cứu của chúng tôi cho thấy nó có thể được chuyển hóa thành thứ gì đó hữu ích trong điều kiện nhẹ nhàng.

Học hỏi từ một loại nấm phân hủy gỗ

Nguồn cảm hứng cho nghiên cứu của chúng tôi đến từ tự nhiên. Nấm mục trắng (Phanerochaete chrysosporium) nổi tiếng với khả năng phân hủy lignin, một trong những polymer “cứng đầu” nhất được tìm thấy trong gỗ. Nó làm được điều này nhờ các enzym tạo ra các dạng hóa chất có tính phản ứng rất cao, có khả năng tháo rời các cấu trúc carbon phức tạp.

Chúng tôi tự hỏi liệu một vật liệu tổng hợp có thể bắt chước chiến lược này hay không.

Chất xúc tác mà chúng tôi thiết kế là carbon nitride được pha tạp sắt, một chất bán dẫn hấp thụ ánh sáng nhìn thấy. Sau đó, chúng tôi neo giữ các nguyên tử sắt riêng lẻ, tạo ra thứ mà các nhà khoa học gọi là chất xúc tác đơn nguyên tử.

Thay vì hình thành các hạt nano, mỗi nguyên tử sắt được tách biệt và nhúng trong cấu trúc carbon nitride. Độ chính xác ở mức nguyên tử này là then chốt. Mỗi nguyên tử sắt hoạt động như một “vị trí hoạt động” trong một enzym tự nhiên, tối đa hóa hiệu suất trong khi vẫn duy trì độ ổn định.

Một phản ứng gồm hai bước được vận hành nhờ ánh sáng

Hệ thống hoạt động thông qua một chuỗi phản ứng do ánh sáng kích hoạt.

Dưới ánh sáng mặt trời và khi có mặt hydrogen peroxide, các vị trí sắt sẽ kích hoạt hydrogen peroxide để tạo ra các gốc hydroxyl có tính phản ứng rất cao. Một gốc tự do là một nguyên tử, phân tử hoặc ion có ít nhất một electron chưa ghép đôi. Điều này khiến chúng có tính phản ứng hóa học cao.

Các gốc này tấn công các chuỗi carbon dài tạo nên nhựa, như polyethylene (được dùng trong túi nhựa), polypropylene (hộp đựng thực phẩm), PET (chai nước uống) và thậm chí cả PVC (ống và bao bì).

Các polymer được oxy hóa dần dần và bị phân rã thành các phân tử nhỏ hơn, cuối cùng hình thành carbon dioxide (CO2).

Thay vì để CO2 này thoát ra ngoài, chính chất xúc tác đó lại thực hiện một nhiệm vụ thứ hai: nó sử dụng ánh sáng mặt trời để khử CO2 thành axit axetic. Nói cách khác, carbon trong rác thải nhựa trước tiên bị oxy hóa và sau đó được tái lắp ráp thành một phân tử mới, có giá trị.

Về cốt lõi, cách tiếp cận này phân hủy nhựa và chuyển đổi phần carbon thu được thành một hóa chất hàng hóa trong cùng một hệ thống. Điều này phân biệt nó với hầu hết các công nghệ tái chế hiện có.

Vì sao là axit axetic?

Axit axetic được biết đến nhiều nhất như thành phần tạo vị chua của giấm, nhưng nó cũng là một nguyên liệu đầu vào công nghiệp quan trọng. Nó được dùng để sản xuất keo dán, lớp phủ, dung môi, sợi tổng hợp và dược phẩm.

Nhu cầu toàn cầu lên tới hàng triệu tấn mỗi năm, tương ứng với một thị trường trị giá nhiều tỷ đô la.

Hiện nay, phần lớn axit axetic được sản xuất thông qua một quá trình tiêu tốn năng lượng được gọi là carbonyl hóa methanol, trong đó methanol được cho phản ứng với carbon monoxide ở nhiệt độ cao.

Chuyển đổi rác thải nhựa thành axit axetic mang lại một lộ trình tuần hoàn tiềm năng: thay vì khai thác carbon mới, chúng ta tái sử dụng carbon đã có sẵn trong các vật liệu bị bỏ đi.

Trong các thí nghiệm của chúng tôi, hệ thống tạo ra axit axetic với tốc độ tương đối thuận lợi so với các phương pháp chuyển đổi nhựa do ánh sáng khác đã được báo cáo. Khi chúng tôi tăng cường việc sử dụng ánh sáng bên trong lò phản ứng, tốc độ sản xuất tăng lên đáng kể.

Quan trọng là, phản ứng hoạt động ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển bình thường. Điều này trái ngược với nhiều phương pháp tái chế hóa học, vốn cần làm nóng nhựa đến vài trăm độ C.

Xử lý nhựa trong thế giới thực

Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm thường tập trung vào các loại nhựa tinh khiết. Nhưng dòng rác thải thực tế lại là hỗn hợp và bị nhiễm bẩn. Vì vậy, chúng tôi đã thử nghiệm các loại nhựa phổ biến khác nhau một cách riêng lẻ, cũng như các hỗn hợp.

Chất xúc tác của chúng tôi có thể chuyển đổi một số loại nhựa hàng hóa lớn. Thú vị là PVC cho thấy hiệu suất đặc biệt mạnh. Chúng tôi tin rằng clo được giải phóng trong quá trình phân hủy của nó có thể tạo ra thêm các gốc tự do có tính phản ứng, qua đó làm tăng tốc độ suy thoái.

Các nguyên tử sắt vẫn được phân tán ở mức nguyên tử sau nhiều lần sử dụng, cho thấy độ ổn định tốt. Điều này quan trọng vì sự suy giảm của chất xúc tác hoặc hiện tượng rò rỉ kim loại có thể làm suy yếu cả hiệu suất lẫn an toàn môi trường.

Hệ thống này có sử dụng thêm hydrogen peroxide, và chất này bị tiêu thụ trong quá trình phản ứng. Dù hydrogen peroxide phân hủy thành nước và oxy và được xem là tương đối ít gây hại, thì công việc trong tương lai sẽ cần giải quyết cách cung cấp nó một cách bền vững ở quy mô lớn.

Từ ý tưởng đến thực tiễn

Việc mở rộng quy mô bất kỳ quy trình hóa học mới nào cũng đặt ra thách thức. Việc ánh sáng xuyên qua, thiết kế lò phản ứng và mức độ biến thiên của nguyên liệu nhựa rác thải đầu vào đều ảnh hưởng đến hiệu suất. Các chất phụ gia trong nhựa thương mại - như chất ổn định, chất tạo màu và chất hóa dẻo - cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả phản ứng.

Để đánh giá tính khả thi, chúng tôi đã tiến hành một đánh giá sơ bộ về công nghệ và kinh tế. Đây là một cách phân tích những lợi ích kinh tế tiềm năng của một quy trình hoặc sản phẩm công nghiệp.

Mặc dù cần tối ưu thêm, phân tích của chúng tôi cho thấy việc kết hợp dọn sạch rác thải với sản xuất một hóa chất có giá trị có thể giúp bù đắp chi phí - đặc biệt khi xét đến các lợi ích về môi trường.

Rộng hơn, công trình này minh họa sức mạnh của chất xúc tác đơn nguyên tử và thiết kế lấy cảm hứng từ sinh học. Bằng cách bắt chước cách enzyme kiểm soát độ phản ứng tại các trung tâm kim loại chính xác, chúng ta có thể đạt được những biến đổi hóa học phức tạp trong điều kiện nhẹ nhàng bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng.

Đặt lại cách nhìn về vòng đời của nhựa

Vấn đề ô nhiễm nhựa sẽ không thể được giải quyết bằng một công nghệ đơn lẻ. Giảm việc sử dụng nhựa không cần thiết, cải thiện thiết kế sản phẩm và củng cố các hệ thống tái chế đều là điều thiết yếu.

Chuyển đổi rác thải nhựa thành các hóa chất hữu ích là một chiến lược bổ sung. Nó định nghĩa lại nhựa không chỉ là gánh nặng môi trường mà còn là một nguồn tài nguyên carbon.

Nếu chúng ta có thể khai thác ánh sáng mặt trời để thúc đẩy các quá trình chuyển hóa này một cách hiệu quả và ở quy mô lớn, thì những bao bì bị bỏ đi hôm qua có thể trở thành nguồn nguyên liệu đầu vào công nghiệp của ngày mai.

Thách thức hiện nay là chuyển hóa các tiến bộ trong phòng thí nghiệm của chúng tôi thành các hệ thống vững chắc, có thể mở rộng. Nếu thành công, nó sẽ đánh dấu một bước tiến hướng tới một nền kinh tế tuần hoàn hơn - nơi chất thải không phải là kết thúc câu chuyện, mà là khởi đầu của một câu chuyện mới.

MENAFN11032026000199003603ID1110848949