Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL) đã phát triển phương pháp phân hủy polyethylene, một trong những loại nhựa được sử dụng phổ biến nhất, để tạo ra các hợp chất tương tự xăng và dầu diesel ở nhiệt độ dưới 200 độ C.
Phương pháp sử dụng hỗn hợp muối nóng chảy chứa nhôm clorua thay cho nhiệt độ cực cao và nhiều hóa chất thường được dùng trong các quy trình chuyển nhựa thành nhiên liệu. Trong thử nghiệm tại phòng thí nghiệm, phương pháp này tạo ra lượng sản phẩm thuộc phân đoạn tương tự xăng chiếm khoảng 60%. Đáng chú ý, phương pháp này không cần chất xúc tác kim loại quý, dung môi hữu cơ hoặc nguồn hydro bổ sung.
Dùng muối nóng chảy thay cho nhiệt độ cao
Polyethylene có mặt trong nhiều sản phẩm thông dụng như túi nhựa, thớt nhựa và nhiều vật dụng khác. Đây cũng là loại nhựa khó tái sử dụng sau khi trở thành rác thải.
Nhóm nghiên cứu sử dụng muối được nung đến khi chuyển sang trạng thái lỏng và có chứa nhôm clorua. Trong quy trình mới, hỗn hợp này vừa tạo môi trường cho phản ứng, vừa đóng vai trò chất xúc tác thúc đẩy quá trình phân hủy nhựa.
“Chúng tôi chuyển đổi rác thải polymer thành nhiên liệu có giá trị gia tăng bằng cách sử dụng các loại muối vô cơ có bán trên thị trường làm môi trường phản ứng, đồng thời cung cấp các vị trí xúc tác,” Zhenzhen Yang, nhà khoa học tại ORNL và đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết.
Theo Yang, khác với các phương pháp truyền thống chuyển polymer thành nhiên liệu, quy trình mới không cần kim loại quý làm chất xúc tác, dung môi hữu cơ hay hydro từ bên ngoài. Đây cũng là lần đầu tiên muối nóng chảy được sử dụng làm môi trường để tạo ra các hóa chất có giá trị cao từ rác thải mà không cần chất khởi đầu xúc tác hoặc dung môi, ở nhiệt độ dưới 200 độ C.
“Chúng tôi đã phát triển một quy trình chuyển đổi polyethylene thành các hợp chất tương tự xăng có hiệu quả và tính chọn lọc cao,” Liqi Qiu, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Tennessee, Knoxville, cho biết.
Nhôm phân cắt các chuỗi polymer
Các nhà nghiên cứu cũng tìm cách xác định cơ chế giúp muối nóng chảy phân hủy polyethylene.
Polyethylene được cấu tạo từ những chuỗi dài gồm các nguyên tử carbon và hydro. Nhóm nghiên cứu phát hiện các vị trí nhôm trong muối nóng chảy trở nên có tính axit mạnh, từ đó kích hoạt các phản ứng cắt những chuỗi dài này thành các phân tử hydrocarbon nhỏ hơn, tương tự những hợp chất có trong nhiên liệu.
Nghiên cứu mới dựa trên hàng chục năm nghiên cứu về muối nóng chảy tại ORNL. Phòng thí nghiệm này bắt đầu nghiên cứu vật liệu từ ít nhất những năm 1960, khi Thí nghiệm lò phản ứng muối nóng chảy chứng minh tiềm năng sử dụng chúng trong các lò phản ứng hạt nhân.
Muối nóng chảy có thể duy trì trạng thái ổn định trong những điều kiện hóa học khắc nghiệt. Đặc tính này có thể khiến chúng phù hợp với các quy trình công nghiệp nếu phương pháp mới có thể được mở rộng khỏi quy mô phòng thí nghiệm.
Hiểu rõ cơ chế hóa học của phương pháp cũng có thể giúp các nhà khoa học mở rộng sang những loại nhựa hoặc quy trình hóa học khác.
“Trong nghiên cứu này, chúng tôi xử lý polyethylene, một loại polymer phổ biến, bằng muối nóng chảy. Chúng tôi muốn hiểu khoa học nền tảng để từ đó dẫn đến những phát hiện và cơ hội kinh tế mới,” Tomonori Saito, nhà khoa học ORNL phụ trách dự án, cho biết.
Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho phương pháp này.
“Nguyên liệu polymer có sẵn rất dồi dào từ rác thải tiêu dùng, trong khi hệ thống xúc tác của chúng tôi sử dụng muối nhôm nóng chảy có chi phí rất thấp. Tiến bộ này có thể có triển vọng ứng dụng trong công nghiệp,” Qiu nói.

Quy trình sử dụng muối nóng chảy có thể biến rác thải polyethylene thành các hợp chất tương tự nhiên liệu ở nhiệt độ thấp bất thường. Ảnh: Stock