Một nhóm các nhà khoa học Mỹ mới đây vừa giới thiệu một phương pháp tái chế nhựa đột phá, sử dụng độ ẩm trong không khí để phân hủy polyethylene terephthalate (PET) - loại nhựa polyester phổ biến nhất hiện nay.

Công trình nghiên cứu được công bố trên tạp chí Green Chemistry đã mở ra triển vọng về một quy trình tái chế không độc hại, không dung môi và thân thiện với môi trường.

Theo nhóm nghiên cứu, một chất xúc tác chi phí thấp có khả năng phá vỡ các liên kết trong PET. Khi nhựa bị phân mảnh và tiếp xúc với độ ẩm từ không khí xung quanh, nó sẽ chuyển hóa thành các monome có thể được tái sử dụng để sản xuất nhựa PET mới hoặc các vật liệu có giá trị cao hơn.

“Mỹ là quốc gia gây ô nhiễm nhựa số một trên thế giới tính theo đầu người, nhưng chỉ tái chế được 5% lượng nhựa thải ra. Vì vậy, những công nghệ tái chế hiệu quả hơn là vô cùng cần thiết”, Yosi Kratish, trợ lý nghiên cứu tại Trường Cao đẳng Nghệ thuật và Khoa học Weinberg, Đại học Northwestern.

Phương pháp tái chế không dung môi

Nhựa PET là loại nhựa phổ biến thường được sử dụng trong các sản phẩm như bao bì thực phẩm và chai nước giải khát, chiếm khoảng 12% tổng số nhựa trên toàn cầu.

Sự tồn tại dai dẳng của loại nhựa này trong môi trường đang là một vấn đề nan giải lớn bởi PET có tính chống phân hủy nên giải pháp vẫn nằm ở các bãi chôn lấp, phân mảnh thành vi nhựa hoặc nano nhựa ngấm vào nguồn nước hoặc tích tụ trong môi trường tự nhiên.

Các nhà khoa học trên thế giới vẫn đang tìm kiếm các giải pháp mới để có thể quản lý hoặc tái chế loại nhựa này. Thế nhưng các công nghệ tái chế nhựa hiện nay chủ yếu sử dụng nhiệt độ cao và dung môi hóa học để phá vỡ cấu trúc nhựa, tạo ra sản phẩm phụ độc hại và tiêu tốn nhiều năng lượng.

Các chất xúc tác cần thiết cũng có chi phí đắt đỏ hoặc có thể gây nguy hiểm, làm trầm trọng thêm các vấn đề về chất thải. Hơn nữa, sau khi phản ứng tái chế kết thúc, các nhà nghiên cứu phải đối mặt với một công việc khó khăn là chiết xuất các vật liệu hữu ích từ các dung môi còn sót lại, làm tăng thêm chi phí và mức độ phức tạp.

Tuy nhiên, nghiên cứu mới này đã sử dụng một phương pháp tiếp cận đơn giản hơn, đó là khai thác độ ẩm từ không khí, biến hơi nước từ không khí đóng vai trò chất xúc tác để phân hủy PET.

Trong thí nghiệm mới này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng chất xúc tác molypden có chi phí thấp,  không độc hại kết hợp với than hoạt tính, sau đó đun nóng hỗn hợp để phá vỡ các phân tử lớn của PET.

Tiếp theo, nhựa bị phân mảnh được đưa vào môi trường không khí xung quanh chứa hàm lượng hơi nước tối thiểu, kích hoạt sự chuyển đổi các tàn dư nhựa thành các monome được gọi là axit terephthalic (TPA) – tiền chất có giá trị để sản xuất polyester mới.

Quá trình này chỉ tạo ra một sản phẩm phụ, acetaldehyde, được coi là tương đối đơn giản để loại bỏ trong bối cảnh công nghiệp.

Theo nhà nghiên cứu Naveen Malik, “Không khí chứa một lượng độ ẩm đáng kể, làm cho nó trở thành một nguồn tài nguyên có sẵn và bền vững cho các phản ứng hóa học. Trung bình, ngay cả trong điều kiện tương đối khô, bầu khí quyển chứa khoảng 10.000 đến 15.000 km khối nước. Việc tận dụng độ ẩm không khí cho phép chúng tôi loại bỏ lượng dung môi, giảm năng lượng đầu vào và tránh sử dụng các hóa chất mạnh, làm cho quy trình sạch hơn và thân thiện với môi trường hơn”.

Kết quả các thử nghiệm cho thấy, 94% TPA có thể được thu hồi chỉ trong 4 giờ, cho thấy tốc độ và tính hiệu quả của phương pháp này. Chất xúc tác được chứng minh là mạnh mẽ và có thể tái sử dụng, làm cho nó trở thành một lựa chọn thiết thực cho các ứng dụng quy mô lớn.

Vì kỹ thuật này chỉ chọn lọc phân hủy nhựa polyester, các loại nhựa khác hoặc các chất gây ô nhiễm phi nhựa trong một lô hỗn hợp sẽ bị bỏ qua một cách hiệu quả.

Khi được thử nghiệm trên các chai nhựa, áo sơ mi và rác thải nhựa hỗn hợp thực tế, quy trình hoạt động tốt tương tự, thậm chí còn giúp loại bỏ thuốc nhuộm khi TPA thu được đều không màu.

Hướng đi mới cho nền kinh tế tuần hoàn

Theo Naveen Malik, phương pháp tái chế bằng không khí này không chỉ giúp giảm đáng kể ô nhiễm nhựa mà còn tiết kiệm năng lượng và chi phí sản xuất. Công nghệ này đặc biệt hiệu quả với các sản phẩm nhựa polyester như chai nhựa, quần áo và rác thải nhựa hỗn hợp.

Nhóm nghiên cứu hiện đang tập trung vào việc mở rộng quy mô công nghệ này để đáp ứng nhu cầu công nghiệp, góp phần xây dựng nền kinh tế tuần hoàn và giảm thiểu tác động môi trường của nhựa thải.

“Công nghệ của chúng tôi có thể giúp giảm đáng kể lượng rác thải nhựa, đồng thời mở ra một tương lai bền vững hơn, nơi vật liệu nhựa không còn là gánh nặng mà trở thành nguồn tài nguyên tái tạo”, Malik khẳng định.