Phương pháp đột phá chuyển nhựa thành nhiên liệu sinh học hiệu quả

Khi chúng ta nói "nhựa ở khắp mọi nơi", không phải nói quá.

Gần 30 năm trước, một robot lặn điều khiển từ xa của Nhật Bản đã phát hiện một chiếc túi nhựa trôi dạt ở độ sâu thuộc rãnh Mariana, điểm sâu nhất của đại dương. Sản phẩm từ dầu mỏ này giờ đã được tích hợp vào lớp địa chất của Trái Đất dưới dạng một loại đá trầm tích mới gọi là "đá nhựa" (plastistone). Và não bộ người trưởng thành trung bình có thể chứa đến một muỗng cà phê vi nhựa. Tình trạng ô nhiễm nhựa toàn cầu nghiêm trọng đến mức Liên Hợp Quốc đang phát triển một hiệp ước về nhựa.

Do thất bại trong việc kiểm soát sự gia tăng của "kẻ thù" này, một số nhà khoa học và ngành dầu khí, nhựa đã chuyển sang phương pháp gây tranh cãi nhằm giảm thiểu vấn đề: chuyển nhựa trở lại thành dầu sử dụng được. Nếu được mở rộng quy mô hiệu quả, "dầu sinh học" từ nhựa có thể trực tiếp phục vụ các công nghệ tiêu thụ nhiều năng lượng, như nồi hơi, lò nung, tuabin, cũng như diesel cho xe tải, tàu hỏa và tàu thủy. Đây là nỗ lực toàn cầu, và các nhà khoa học hy vọng tạo ra quy trình đổi mới để đáp ứng nhiều nhu cầu từ dầu mỏ—và khuyến khích giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch phá hủy môi trường. Tuy nhiên, phương pháp hiện tại có hiệu suất thấp và vẫn cần được chứng minh.

Gần đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Yale có thể đã khắc phục phần nào tính không hiệu quả đó. Họ đã thử nghiệm thành công một cách tiếp cận mới để sản xuất nhiều dầu sinh học hơn với chi phí thấp hơn. Kết quả cho thấy tiềm năng mở rộng quy mô trong tương lai, bước quan trọng để biến rác nhựa thành nguồn năng lượng khả thi.

Phương pháp chính bắt đầu với quá trình nhiệt phân (pyrolysis), áp dụng nhiệt độ cao lên vật liệu trong môi trường không có oxy. Khi nhiệt độ đạt 900°C (1.652°F), chuỗi polymer của nhựa tan chảy thành các phân tử hydrocarbon — hợp chất hữu cơ chủ yếu gồm cacbon và hydro, là thành phần cơ bản để tạo ra năng lượng. Kết quả thường chuyển khoảng 60% nhựa thành dầu sinh học.

Các phương pháp sản xuất dầu sinh học hiện nay thường sử dụng chất xúc tác như zeolite để tăng cường quá trình và nâng cao hiệu suất. Nghiên cứu mới của Yale phát hiện một cách tiếp cận tăng sản lượng lên khoảng 66%—mà không cần chất xúc tác nào. Điều này có thể tiết kiệm chi phí đáng kể, theo lời kỹ sư vật liệu Liangbing Hu, tiến sĩ, trong thông cáo của Đại học Yale. "Bất cứ khi nào nói về chất xúc tác, chúng rất đắt và có giới hạn tuổi thọ vì theo thời gian chất xúc tác sẽ biến chất," ông nói. Hu là đồng tác giả của bài báo chi tiết quy trình này được công bố trên tạp chí Nature Chemical Engineering vào đầu hè.

Chìa khóa của sáng kiến này là tạo ra một reactor cột carbon in 3D ba ngăn, mỗi ngăn có kích thước lỗ rỗng khác nhau. Khi hóa chất đi qua reactor, kích thước lỗ từ 1 mm, 500 μm đến 200 nm giúp kiểm soát hiệu quả giai đoạn phản ứng. Tiếp đến, nhóm nghiên cứu lên kế hoạch mở rộng quy mô bằng cách thử xây dựng reactor từ vật liệu carbon felt — một chất dẻo chịu nhiệt cao, linh hoạt. Ngay cả khi chưa xác định kích thước lỗ lý tưởng, họ vẫn đạt hiệu suất khoảng 56%. Công trình đến nay cho thấy tái chế tiên tiến qua nhiệt phân vẫn còn dư địa để cải thiện tính bền vững và hiệu quả.

Mặc dù tăng sản lượng dầu sinh học và giảm chi phí nhiệt phân là quan trọng, việc mở rộng quy mô còn gặp thách thức lớn. Vấn đề rõ ràng nhất là lượng năng lượng khổng lồ công nghệ hiện tại tiêu thụ, dẫn đến phát thải CO₂ và các chất thải khác. Các chuyên gia trao đổi với tổ chức báo chí độc lập ProPublica gọi ý tưởng nhiệt phân là "cổ tích" do ngành dầu mỏ và sản xuất nhựa thường tuyên truyền để duy trì phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Ít nhất trong tương lai gần, nhiệt phân không phải là giải pháp toàn diện cho khủng hoảng nhựa.

Tuy nhiên, khi các nhà khoa học tiếp tục theo đuổi những đổi mới sáng tạo như nghiên cứu của Hu và đồng nghiệp, họ có thể một ngày biến "cổ tích" này thành giải pháp thực tế cho cuộc khủng hoảng nhựa ngày càng nghiêm trọng. Với sản lượng nhựa dùng một lần ngày càng tăng, rõ ràng loại nhựa tốt nhất hiện nay vẫn là loại không bao giờ được sản xuất ra.

Tại thị trường Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ chuyển nhựa thành nhiên liệu sinh học có thể mang lại nhiều lợi ích môi trường và kinh tế. Việt Nam hiện đang phải đối mặt với khối lượng rác thải nhựa gia tăng nhanh chóng, đặc biệt tại các khu đô thị ven biển và vùng nông thôn. Công nghệ reactor carbon in 3D không cần xúc tác với hiệu suất lên đến 66% hứa hẹn giảm áp lực lên hệ thống xử lý chất thải và mang lại nguồn năng lượng thay thế cho các khu công nghiệp. Tuy nhiên, chi phí năng lượng và cơ sở hạ tầng hiện tại tại Việt Nam vẫn còn hạn chế, đòi hỏi sự đầu tư lớn và chính sách hỗ trợ từ chính phủ. Việc phối hợp giữa các viện nghiên cứu, doanh nghiệp tái chế và cơ quan quản lý sẽ là chìa khóa để đưa giải pháp này vào thực tiễn, hướng đến mô hình kinh tế tuần hoàn và giảm thiểu ô nhiễm nhựa cho các thế hệ tương lai.