Nhóm nghiên cứu tại Đại học Northwestern đã phát triển chất xúc tác niken đơn điểm, có khả năng phá vỡ nhựa polyolefin hỗn hợp mà không cần phân loại, ngay cả khi có PVC. Quá trình tạo ra dầu và sáp lỏng giúp tái chế thành sản phẩm giá trị cao hơn.
Điểm nổi bật:
- Một chất xúc tác niken mới phân hủy nhựa polyolefin hỗn hợp mà không cần phân loại trước.
- Chất xúc tác chuyển đổi nhựa thành dầu lỏng và sáp để tái chế thành sản phẩm giá trị cao hơn.
- Chất xúc tác chịu được và thậm chí được kích hoạt bởi sự ô nhiễm PVC, vượt qua trở ngại chính trong tái chế.
- Thiết kế phân tử một điểm hoạt động sử dụng ít xúc tác hơn, nhiệt độ và áp suất hydro thấp hơn.
- Được công bố trên Nature Chemistry, đảm bảo đã được đánh giá ngang hàng.
Ảnh: Unsplash/CC0 Public Domain
Tương lai của tái chế nhựa có thể sớm trở nên bớt phức tạp, bớt khó chịu và bớt tẻ nhạt. Trong một nghiên cứu mới, các nhà hóa học tại Đại học Northwestern đã giới thiệu một quy trình nâng giá trị nhựa mới có thể giảm đáng kể — hoặc thậm chí loại bỏ hoàn toàn — công việc phân loại nhựa hỗn hợp thủ công.
Quá trình này tận dụng một chất xúc tác dựa trên niken có chi phí thấp, chọn lọc phá vỡ nhựa polyolefin bao gồm polyethylene và polypropylene — loại dùng một lần chiếm gần hai phần ba lượng nhựa tiêu thụ toàn cầu. Điều này đồng nghĩa với việc người dùng công nghiệp có thể áp dụng chất xúc tác lên lượng lớn rác thải polyolefin chưa phân loại.
Khi chất xúc tác phân hủy polyolefin, các khối nhựa rắn giá trị thấp chuyển hóa thành dầu và sáp lỏng, có thể nâng lên thành sản phẩm giá trị cao hơn, bao gồm chất bôi trơn, nhiên liệu và nến. Chất xúc tác không chỉ có thể sử dụng nhiều lần mà còn có khả năng phân hủy nhựa bị ô nhiễm PVC, một polyme độc hại vốn khiến nhựa "không thể tái chế."
Tình huống polyolefin
Từ cốc sữa chua và vỏ bánh snack đến chai dầu gội và khẩu trang y tế, hầu hết mọi người tiếp xúc với nhựa polyolefin nhiều lần trong ngày. Nhờ tính linh hoạt, polyolefin là loại nhựa được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới.
Theo một số ước tính, ngành công nghiệp sản xuất hơn 220 triệu tấn sản phẩm polyolefin toàn cầu mỗi năm. Tuy nhiên, theo báo cáo 2023 trên tạp chí Nature, tỷ lệ tái chế nhựa polyolefin rất thấp, chỉ từ dưới 1% đến 10% trên toàn cầu.
Nguyên nhân chính của tỷ lệ tái chế thấp là do cấu trúc bền vững và khó phá vỡ. Nó bao gồm các phân tử nhỏ liên kết với nhau bằng các liên kết carbon-carbon, vốn rất khó nứt gãy.
"Khi chúng tôi thiết kế chất xúc tác, chúng tôi nhắm vào điểm yếu. Nhưng polyolefin không có điểm yếu. Mọi liên kết đều vô cùng bền và không phản ứng hóa học," Kratish cho biết.
Vấn đề với các quy trình hiện tại
Hiện tại, chỉ có một số quy trình chưa lý tưởng để tái chế polyolefin. Nhựa có thể được xay thành mảnh, sau đó nung chảy và tái sinh thành viên nhựa chất lượng thấp. Nhưng vì các loại nhựa khác nhau có tính chất và điểm nóng chảy khác nhau, quy trình yêu cầu công nhân phải phân tách cẩn thận.
Ngay cả lượng nhỏ nhựa khác, cặn thức ăn hay vật liệu không phải nhựa cũng có thể làm hỏng toàn bộ mẻ. Những mẻ hỏng đó sẽ bị bỏ vào bãi chôn lấp.
Một lựa chọn khác là nung nhựa ở nhiệt độ rất cao, lên đến 400–700°C. Mặc dù quá trình này phân hủy nhựa polyolefin thành hỗn hợp khí và lỏng hữu ích, nhưng nó tiêu tốn rất nhiều năng lượng.
"Chỉ cần áp đủ năng lượng, mọi thứ đều có thể bị đốt cháy thành CO₂ và nước. Nhưng chúng tôi muốn tìm cách thanh lịch, thêm ít năng lượng nhất để thu được sản phẩm giá trị cao nhất," Kratish nói.
Kỹ thuật chính xác
Để tìm giải pháp thanh lịch đó, nhóm nghiên cứu đã tìm đến quá trình thủy phân hydrogenolysis, sử dụng khí hydro và chất xúc tác để phá vỡ nhựa polyolefin thành hydrocarbon nhỏ hơn, hữu ích. Mặc dù phương pháp hydrogenolysis đã tồn tại, chúng thường yêu cầu nhiệt độ rất cao và chất xúc tác đắt tiền từ kim loại quý như bạch kim và palladium.
"Quy mô sản xuất polyolefin rất lớn, nhưng trữ lượng kim loại quý toàn cầu rất hạn chế," Lai cho biết.
"Chúng tôi không thể dùng toàn bộ kho kim loại cho hóa học. Ngay cả nếu có, vẫn không đủ để giải quyết vấn đề nhựa. Đó là lý do chúng tôi quan tâm đến kim loại phổ biến trên Trái Đất."
Đối với chất xúc tác tái chế polyolefin, nhóm đã chọn niken, được tổng hợp từ hợp chất niken sẵn có, rẻ tiền và dễ mua. Trong khi các chất xúc tác dựa trên hạt nano niken có nhiều vị trí phản ứng, nhóm đã thiết kế chất xúc tác phân tử một điểm.
Thiết kế một điểm cho phép chất xúc tác hoạt động như một mũi dao mổ chuyên biệt — ưu tiên cắt các liên kết carbon-carbon — thay vì một công cụ thô lỗ phá hủy cấu trúc toàn bộ.
Kết quả là, chất xúc tác cho phép phân hủy chọn lọc polyolefin phân nhánh (như isotactic polypropylene) khi trộn với polyolefin không phân nhánh — tách chúng về mặt hóa học.
"So với các chất xúc tác niken khác, quy trình của chúng tôi sử dụng chất xúc tác ít hơn 10 lần, nhiệt độ thấp hơn 100 độ và áp suất hydro chỉ bằng một nửa, đồng thời hoạt tính tăng gấp 10 lần. Chúng tôi đang chiến thắng trên mọi phương diện," Kratish nói.
Thúc đẩy bởi ô nhiễm
Với chỉ một vị trí hoạt động được xác định rõ, chất xúc tác niken thể hiện hoạt tính và độ ổn định chưa từng có. Chất xúc tác ổn định đến mức duy trì kiểm soát ngay cả khi tiếp xúc với chất ô nhiễm như PVC. PVC, được sử dụng trong ống, sàn và thiết bị y tế, về mặt hình thức giống nhựa khác nhưng kém bền hơn khi nung nóng.
Khi phân hủy, PVC thải ra khí hydrogen chloride ăn mòn mạnh, thường vô hiệu hóa chất xúc tác và làm gián đoạn quá trình tái chế.
Kinh ngạc thay, chất xúc tác của Northwestern không những chịu được ô nhiễm PVC mà còn hoạt động mạnh hơn. Ngay cả khi hỗn hợp rác thải chứa 25% PVC, nhóm nghiên cứu vẫn thấy hiệu suất được cải thiện.
Kết quả bất ngờ này cho thấy phương pháp của nhóm có thể vượt qua một trong những rào cản lớn nhất trong tái chế nhựa hỗn hợp — phân hủy rác vốn được coi là "không thể tái chế" do ô nhiễm PVC. Chất xúc tác cũng có thể tái sinh nhiều chu kỳ thông qua xử lý đơn giản với alkylaluminum giá rẻ.
"Việc thêm PVC vào hỗn hợp tái chế luôn bị cấm," Kratish nói. "Nhưng dường như nó giúp quy trình của chúng tôi hoạt động tốt hơn. Điều đó thật điên rồ. Không ai ngờ tới."
