Các nhà khoa học đã phát triển một quy trình có thể biến hỗn hợp nhiều loại nhựa phế thải thành hydro có độ tinh khiết cao, đồng thời giữ phần lớn carbon trong một khoáng chất rắn thay vì thải CO₂ ra khí quyển.
Rác thải nhựa như chai nước, túi mua sắm hay các bộ phận ôtô có thể tồn tại trong hệ thống xử lý rác rất lâu sau khi hết thời gian sử dụng. Dù nhựa hiện diện ở khắp nơi trong xã hội hiện đại, việc tái chế vật liệu này vẫn gặp nhiều khó khăn vì phần lớn các hệ thống phải phân loại riêng từng loại nhựa trước khi xử lý, một công đoạn tốn kém và đòi hỏi nhiều nhân công.
Kết quả là chỉ khoảng 9% rác thải nhựa được tái chế, trong khi 79% bị đưa vào bãi chôn lấp và 12% bị đốt, tạo ra khí CO₂.
Các nhà nghiên cứu do Trường Kỹ thuật Samueli thuộc Đại học California, Los Angeles (UCLA) và Đại học Nữ Ewha (Hàn Quốc) đồng dẫn đầu đã chứng minh một quy trình hóa học có thể biến hỗn hợp 3 loại nhựa phổ biến thành nhiên liệu hydro có độ tinh khiết cao.
Phương pháp này hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với công nghệ khí hóa truyền thống, đồng thời giữ carbon dưới dạng khoáng chất rắn thay vì thải CO₂ vào khí quyển.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences, tập trung vào phương pháp xử lý nhiệt kiềm. Trong quy trình này, hydroxit natri được nung nóng để phản ứng với vật liệu hữu cơ và tạo ra hydro.
Trong một lò phản ứng duy nhất, các nhà nghiên cứu đã xử lý hỗn hợp nhựa polyethylene terephthalate (PET), polyethylene (PE) và polypropylene (PP) mà không cần phân loại trước. Hydro thu được có độ tinh khiết trên 90%.
“Chúng tôi đang giải quyết đồng thời 2 vấn đề cấp bách của toàn cầu,” Ah-Hyung “Alissa” Park, đồng tác giả của nghiên cứu, Hiệu trưởng Trường Kỹ thuật Samueli thuộc UCLA và giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử, cho biết.
“Rác thải nhựa đang tích tụ với tốc độ đáng báo động, trong khi hydro sạch đóng vai trò thiết yếu trong quá trình khử carbon của ngành năng lượng. Công nghệ này giải quyết cả 2 thách thức theo một cách sáng tạo và có khả năng mở rộng,” Park nói.
Park và Woo-Jae Kim, đồng tác giả của nghiên cứu và giáo sư kỹ thuật hóa học và khoa học vật liệu tại Đại học Nữ Ewha, ban đầu phát triển phương pháp xử lý nhiệt kiềm như một cách trung hòa carbon để biến sinh khối như rong biển thành khí hydro.
Các nhà nghiên cứu sau đó điều chỉnh phương pháp này để xử lý rác thải nhựa và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm với PET, PE và PP. Quy trình tạo ra lượng hydro từ PET cao hơn đáng kể, đồng thời hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn 300-400 độ C so với công nghệ khí hóa bằng hơi nước truyền thống.
Làm nóng nhẹ để xử lý nhựa khó phân hủy
PE và PP ban đầu tạo ra ít hydro hơn PET do cấu trúc của chúng hoàn toàn gồm các liên kết carbon-hydro ổn định, khó phản ứng với phương pháp xử lý bằng kiềm.
Để khiến các loại nhựa này dễ phản ứng hơn, các nhà nghiên cứu bổ sung một bước tiền xử lý oxy hóa nhiệt. Nhựa được làm nóng nhanh trong không khí trước khi bước phản ứng chính diễn ra. Quá trình này tạo ra các nhóm chứa oxy dọc theo chuỗi polymer, hình thành những vị trí hóa học mà hydroxit natri có thể tác động. Sau bước kích hoạt này, cả 3 loại nhựa đều phân hủy hiệu quả.
Hydroxit natri hấp thụ lượng carbon giải phóng trong quá trình phản ứng và chuyển hóa nó thành carbonate natri rắn, thay vì để carbon thoát ra dưới dạng CO₂. Phân tích sau quá trình xử lý cho thấy hơn 75% lượng carbon ban đầu trong nhựa vẫn nằm trong các hợp chất carbonate ổn định hoặc phần cặn hữu cơ dạng lỏng.
Chưa đến 13% carbon chuyển sang pha khí, trong khi lượng carbon được phản ứng thải trực tiếp vào khí quyển không đáng kể.
Một quy trình thu hồi tương đối đơn giản sau đó có thể biến carbonate natri thành carbonate calcium, giúp lưu trữ carbon vĩnh viễn trong một loại khoáng chất được nhiều ngành công nghiệp sử dụng.
Các phương pháp nhiệt độ thấp trước đây để sản xuất hydro từ rác thải nhựa vẫn gặp nhiều hạn chế. Công nghệ quang cải tạo sử dụng năng lượng Mặt Trời và phương pháp chuyển hóa điện hóa thường chỉ hoạt động với các loại nhựa chứa oxy như PET, trong khi không xử lý được PE và PP, dù đây là 2 loại nhựa phổ biến trong rác thải.
Trong khi đó, công nghệ khí hóa nhiệt độ cao có thể xử lý hỗn hợp nhựa chưa phân loại nhưng tạo ra lượng CO₂ đáng kể.
Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp xử lý nhiệt kiềm là công nghệ đầu tiên được thiết kế để giải quyết đồng thời cả 3 vấn đề trên.
“Bằng cách giảm chi phí phân loại và độ phức tạp của quy trình – những rào cản lớn đối với việc thương mại hóa – công nghệ này có tiềm năng trở thành một công nghệ nền tảng thế hệ mới, hỗ trợ đồng thời nền kinh tế hydro và nền kinh tế tuần hoàn,” Kim nói.
Tuy nhiên, trước khi có thể triển khai ở quy mô thương mại, các nhà nghiên cứu vẫn cần tiếp tục cải thiện hiệu suất của quy trình và đánh giá tính khả thi về mặt kinh tế.
Minh họa quy trình xử lý nhiệt biến rác thải nhựa hỗn hợp thành nguồn nguyên liệu giống sinh khối để sản xuất hydro mà không phát thải CO₂. Ảnh: Younghee Lee
