Thế giới đã có quá nhiều những cảnh tượng đáng lo ngại khi các sinh vật biển lớn nhỏ, bao gồm cả rùa biển, cá heo, hải cẩu và cả cá voi bị mắc kẹt trong lưới đánh cá bị vất bỏ.

Thách thức chủ yếu của quá trình tái chế Nylon-6, một loại nhựa được sử dụng để sản xuất những loại lưới đánh cá, trong thảm và quần áo thông dụng là độ bền chắc và trơ với tác động môi trường, khiến sợi nhựa tổng hợp không thể phân hủy tự nhiên.

Hậu quả là khi bị thải loại vào môi trường, rác thải nhựa tồn tại hàng nghìn năm, gây ô nhiễm nặng nề vùng nước, phá hủy các rạn san hô và gây nguy hiểm cho những loài chim và động vật biển.

Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà hóa học tại Đại học Northwestern, Mỹ đã phát triển một chất xúc tác mới, có thể phân hủy hoàn toàn Nylon-6 chỉ trong vài phút, không tạo ra những sản phẩm phụ độc hại. Kết quả thu được khi sử dụng chất xúc tác này có nhiều ưu điểm, quy trình này không yêu cầu sử dụng dung môi độc hại, vật liệu đắt tiền hoặc điều kiện khắc nghiệt. Ưu điểm này khiến quy trình trở nên thiết thực trong ngành công nghiệp tái chế nhựa phế thái.

Chất xúc tác mới này không chỉ có vai trò quan trọng trong hoạt động xử lý môi trường mà còn có thể thực hiện bước đầu tiên trong quy trình tái chế rác thải Nylon-6 thành những sản phẩm có giá trị cao hơn. Kết quả của nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Chem.

Tobin Marks, GS Hóa học của Charles E. và Emma H. Morrison, tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Cả thế giới đều nhận thức được vấn đề rác thải nhựa. Nhựa là một phần không thể thiếu của xã hội chúng ta; chúng ta đã sử dụng quá nhiều. Nhưng vấn đề là: Sử dụng xong chúng ta sẽ làm gì? Lý tưởng nhất là chúng ta không thiêu hủy hoặc vùi lấp vào bãi rác. Chúng ta cần tái chế nhựa. Chúng tôi đang phát triển những chất xúc tác có khả năng phân hủy các polymer này, đưa rác thải nhựa trở lại nguyên liệu ban đầu để có thể được tái sử dụng với giá trị cao hơn.”

Marks là GS Hóa học Charles E. và Emma H. ​​Morrison và là GS Hóa học Xúc tác Vladimir N. Ipatieff tại Trường Cao đẳng Khoa học và Nghệ thuật Weinberg của Northwestern, GS khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Trường Kỹ thuật McCormick của Northwestern. Ông cũng là giảng viên của Viện Năng lượng và Bền vững Paula M. Trienens. Các đồng tác giả của Northwestern là Linda J. Broadbelt, GS Kỹ thuật Hóa học và Sinh học Sarah Rebecca Roland, phó trưởng khoa cao cấp của McCormick và Yosi Kratish, phó giáo sư nghiên cứu trong nhóm của GS Marks.

Những khó khăn và vấn đề gây ô nhiễm môi trường

Từ quần áo, thảm đến dây an toàn, Nylon-6 được ứng dụng trong nhiều loại vật liệu mà mọi người sử dụng hàng ngày. Nhưng khi hết thời hạn sử dụng, những vật liệu này bị vùi vào bãi rác hoặc bị xả thải ra môi trường, số lượng đặc biệt nhiều là trên đại dương. Theo Liên đoàn Động vật hoang dã Thế giới (NOAA), có tới 1 triệu pound (khoảng 500 tấn) ngư cụ làm bằng Nynon-6 bị vướt bỏ trên đại dương mỗi năm, đặc biệt lưới đánh cá làm từ Nylon-6 chiếm khoảng 46% lượng rác trên Thái Bình Dương.

Một con rùa biển vướng vào lưới đánh cá hư hỏng bị vứt bỏ. Ảnh: NOAA

TS Liwei Ye, tác giả đầu tiên của bài báo khoa học, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Marks cho biết: “Lưới đánh cá giảm chất lượng sau một vài năm sử dụng. Lưới bị ngấm nước nặng đến mức rất khó để kéo ra khỏi đại dương. Và lưới rẻ nên ngư dân chỉ cần vứt lưới hỏng xuống biển và mua cái mới.”

GS Marks nói thêm: “Có rất nhiều rác thải ở đại dương. Bìa các tông và chất thải thực phẩm có khả năng phân hủy sinh học. Kim loại chìm xuống đáy biển. trôi nổi trên mặt nước và chìm lơ lửng là rác thải nhựa.”

Dung môi xanh nhất là không dùng dung môi

Các phương pháp xử lý Nylon-6 hiện nay là đổ vào các bãi chôn lấp. Khi nylon-6 bị thiêu hủy, vật liệu thải ra những chất ô nhiễm độc hại như oxit nitơ, gây ra nhiều biến chứng sức khỏe khác nhau, trong đó có nguyên nhân tử vong sớm hoặc khí carbon dioxide CO2 với những loại khí độc hại khác.

Một số phòng thí nghiệm đã khám phá được những chất xúc tác có thể phân hủy Nylon-6, nhưng những chất xúc tác này đòi hỏi các điều kiện khắc nghiệt để có tác dụng như nhiệt độ cao tới 350 độ C, hơi nước áp suất cao gây tốn kém về năng lượng và không hiệu quả hoặc sử dụng những dung môi độc hại để phân hủy Nylon-6 nhưng lại gây ô nhiễm môi trường lớn và tác động đến sức khỏe con người.

GS Marks nói: “Có thể hòa tan nhựa trong axit, nhưng sau đó sẽ là chất lỏng độc hại gây ô nhiễm nguồi nước. Mục tiêu đặt ra luôn là sử dụng dung môi xanh. Và loại dung môi nào xanh hơn là không dùng dung môi?”

Chất xúc tác mới phân hủy mẫu Nylon-6 trong vòng vài phút. Ảnh: Đại học Northwestern

Phục hồi các khối xây dựng polyme để sản xuất nhựa tái chế

Để giải quyết những thách thức này, các nhà khoa học đã sử dụng một chất xúc tác mới, được phát triển trong phòng thí nghiệm của GS Marks. Chất xúc tác là hợp chất yttrium (một kim loại rẻ tiền có nhiều trên Trái đất) và các ion lanthanide (đất hiếm).

Nhóm nghiên cứu đã đốt nóng các mẫu Nylon-6 đến nhiệt độ nóng chảy, sử dụng chất xúc tác không dùng dung môi, nhựa sẽ tách ra, trở lại những khối xây dựng ban đầu mà không có sản phẩm phụ.

Marks giải thích: “Chúng ta có thể tưởng tượng cấu trúc của polymer giống như một chiếc vòng cổ hoặc một chuỗi ngọc trai. Trong cấu trúc tương tự này, mỗi viên ngọc trai là một monome. Những monome này là các khối xây dựng polyme. Chúng tôi đã nghĩ ra phương pháp phá vỡ chiếc vòng cổ để lấy lại được những viên ngọc trai đó.”

 

Quy trình với chất xúc tác mới thu hồi 99% monome các khối xây dựng của nylon. Ảnh Đại học Northwestern

Trong những thí nghiệm thực tế, nhóm nghiên cứu của GS Marks có thể phục hồi 99% monome ban đầu của nhựa. Những monome đó sẽ được tái chế thành các sản phẩm có giá trị lớn hơn, do có độ bền và độ cứng cao.

GS Marks nhận định: “Nylon tái chế thực sự có giá trị cao hơn nylon thông thường. Nhiều thương hiệu thời trang cao cấp sử dụng nylon tái chế trong quần áo, Nylon tái chế cũng được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như sản xuất ô tô.”

Mục đích đặt ra là tái chế hiệu quả vật liệu Nylon-6

Ngoài việc thu hồi các monome với hiệu suất cao, chất xúc tác còn có tính chọn lọc đặc biệt, chỉ tác động lên các polyme Nylon-6 mà không phá vỡ những vật liệu, gây ra các sản phẩm phụ độc hại. Ngành công nghiệp tái chế có thể áp dụng chất xúc tác đối với một khối lượng lớn rác thải chưa được phân loại và chỉ phân hủy vật liệu Nylon-6.

GS Marks nhận xét: “Nếu không có chất xúc tác chọn lọc thì bằng cách nào có thể tách nylon khỏi một khối lượng rác thải khổng lồ? Nhà tái chế cần phải thuê người phân loại tất cả rác thải để thu được nylon. Đây là một công việc nặng nhọc, tốn kém chi phí và phức tạp hóa quy trình tái chế. Nhưng nếu chất xúc tác chỉ phân hủy nylon và bỏ lại các vật liệu thải loại khác thì hoạt động tái chế cực kỳ đơn giản và hiệu quả.”

Tái chế rác thải để thu lại các monome giảm được nhu cầu sản xuất nhựa từ nhiên liệu hóa thạch, giúp giảm ô nhiễm môi trường và tiết kiệm chi phí tái chế.

TS Ye cho biết: “Những monome này được sản xuất từ ​​​​dầu thô nên trong quá trình sản xuất thải ra lượng khí thải carbon rất lớn gây ô nhiễm môi trường. Kỹ thuật phân hủy mới làm giảm khí CO2 trong quá trình sản xuất nhựa dân dụng.”

Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu

Sau khi nộp đơn xin bằng sáng chế cho quy trình mới, nhóm nghiên cứu của GS Marks nhận được sự quan tâm rất lớn từ các đối tác công nghiệp dân dụng tiềm năng. Nhóm nghiên cứu hy vọng các công ty sản xuất sản phẩm nhựa dân dụng có thể sử dụng chất xúc tác này trên quy mô lớn để thúc đẩy chương trình làm giảm thiểu rác thải nhựa toàn cầu.

TS Ye bình luận: “Nghiên cứu của chúng tôi thể hiện một bước tiến lớn trong lĩnh vực tái chế polymer và khai thác sử dụng vật liệu bền vững. Phương pháp tiếp cận sáng tạo này giải quyết lỗ hổng nghiêm trọng trong công nghệ tái chế hiện nay, cung cấp một giải pháp thiết thực và hiệu quả cho vấn đề rác thải nylon. Chúng tôi tin rằng chất xúc tác mới có ý nghĩa quan trọng trong những nỗ lực làm giảm ô nhiễm môi trường từ rác thải nhựa, đóng góp cho sự phát triển của nền kinh tế tuần hoàn.”

Trịnh Thái Bằng

Nguồn: VietTimes