Hydrocracking - Cách thức tái chế chất thải nhựa

Cuối cùng đưa hàng triệu tấn nhựa vào các bãi chôn lấp mỗi năm. Đó là một vấn đề xã hội lớn và thậm chí một mối đe dọa môi trường còn lớn hơn.

Tại Hoa Kỳ, tái chế ít hơn 9% chất thải nhựa. Thay vào đó, đưa hơn 75% chất thải nhựa vào các bãi chôn lấp và đốt cháy tới 16%, một quá trình thải khí độc hại vào bầu khí quyển.

Các nhà nghiên cứu từ Trung tâm Đổi mới Chất dẻo (CPI) của trường Đại học Delaware (UD) đã phát triển một phương pháp trực tiếp để chuyển đổi chất thải nhựa sử dụng một lần — túi nhựa, hộp đựng sữa chua, chai nhựa và nắp chai, bao bì, v.v. — thành các phân tử sử dụng làm nhiên liệu máy bay phản lực, dầu diesel và dầu nhờn.

Công trình được công bố trên tạp chí Science Advances vào thứ Tư, ngày 21 tháng 4, tập trung vào việc sử dụng một chất xúc tác mới và quy trình độc đáo để nhanh chóng phá hủy những loại nhựa khó tái chế nhất này, được gọi là polyolefin. Polyolefin chiếm 60 đến 70% của tất cả các loại nhựa được sản xuất ngày nay.

Quy trình do UD phát triển yêu cầu năng lượng ít hơn khoảng 50% so với các công nghệ khác và nó không liên quan đến việc thải carbon dioxide vào khí quyển, hạn chế phát thải so với các phương pháp thông thường khác.

Có thể chỉ thực hiện phương pháp này trong vài giờ ở nhiệt độ thấp, khoảng 250 ^oC. Nhiệt độ này cao hơn một chút so với nhiệt độ lò nướng 450 độ F mà bạn sử dụng để nướng rau củ hoặc nướng bánh phồng tại nhà.

Đặc biệt phương pháp của nhóm nghiên cứu UD có thể xử lý nhiều loại nhựa khác nhau, ngay cả khi trộn lẫn chúng với nhau, một ưu điểm nữa là xem xét cách quản lý rác tái chế.

Chủ tịch của Unidel Dan Rich, Dion Vlachos, điều tra viên chính của dự án và là Giáo sư về Kỹ thuật Hóa học và Phân tử Sinh học cho biết: “Chuyển đổi hóa học là cách tiếp cận linh hoạt và mạnh mẽ nhất để xử lý chất thải nhựa”.

Các đồng tác giả của bài báo bao gồm Sibao Liu, một cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của UD, hiện là phó giáo sư về kỹ thuật hóa học và công nghệ tại trường Đại học Thiên Tân; nhà nghiên cứu CPI Pavel Kots, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của UD; Brandon Vance, sinh viên tốt nghiệp UD; Andrew Danielson, sinh viên năm cuối chuyên ngành kỹ thuật hóa học.

Tạo ra các phân tử

Nhóm nghiên cứu của UD đã sử dụng một quá trình hóa học gọi là hydrocracking để phá vỡ chất rắn nhựa thành các phân tử carbon nhỏ hơn, sau đó thêm các phân tử hydro để ổn định vật liệu sử dụng. Phá vỡ do xúc tác không phải là mới. Các nhà máy lọc dầu đã sử dụng nó để chuyển đổi dầu thô nặng thành xăng trong nhiều năm qua.

Tuy nhiên, phương pháp của nhóm nghiên cứu không những giúp phá vỡ nhựa. Nó cũng chuyển đổi vật liệu thành các phân tử nhánh cho phép chúng chuyển trực tiếp thành sản phẩm cuối cùng. Vlachos, lãnh đạo Viện năng lượng Delaware và Trung tâm xúc tác về đổi mới năng lượng tại UD cho biết: “Điều này làm cho chúng có các phân tử sẵn sàng sử dụng cho các ứng dụng dầu nhờn hoặc nhiên liệu có giá trị cao. Bản thân chất xúc tác thực sự là một vật liệu lai, kết hợp của zeolit ​​và hỗn hợp các oxit kim loại.

​​Được biết Zeolit có các đặc tính giúp chúng tạo ra các phân tử phân nhánh rất tốt. Tìm thấy Zeolit ​​trong những thứ như hệ thống lọc hoặc làm mềm nước và chất tẩy rửa trong gia đình, chúng chống lại các khoáng chất như canxi và magiê, làm cho mềm nước cứng và cải thiện quá trình tẩy rửa, giặt giũ.

Trong khi đó, các oxit kim loại hỗn hợp được biết đến với khả năng phá vỡ các phân tử lớn với lượng vừa đủ. Ví dụ, chất kháng axit trong tủ thuốc gia đình là một oxit kim loại được sử dụng để phân hủy hoặc trung hòa axit gây đau dạ dày. Vlachos nói: "Chất xúc tác này hoạt động một mình kém. Cùng nhau kết hợp sẽ tạo nên điều kỳ diệu, làm tan chảy nhựa và không để lại nhựa".

Điều này mang lại lợi thế cho phương pháp do CPI phát triển so với các phương pháp sử dụng thông thường hiện nay, mặc dù Vlachos nhấn mạnh rằng cần phải nghiên cứu sâu hơn nữa để chuyển các phương pháp khoa học này sang ngành công nghiệp. Một ưu điểm khác là: sử dụng vật liệu xúc tác của nhóm phổ biến và do đó, khá rẻ và phong phú. Ông nói: “Đây không phải là những vật liệu hiếm, vì vậy chúng ta có thể quyết định nhanh chóng cách áp dụng công nghệ này”.

Ông và Liu đã nộp bằng sáng chế tạm thời về chất xúc tác sinh học mới lạ và phương pháp độc đáo thông qua Văn phòng Đối tác và Đổi mới Kinh tế của UD.

Các giải pháp bền vững, nền kinh tế tuần hoàn

Giảm chất thải nhựa bằng cách chuyển đổi hóa học thành nhiên liệu có thể đóng một vai trò mạnh mẽ trong việc thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn, tái chế các vật liệu thành một thứ gì đó mới  mẻ khi chúng hết hạn sử dụng, thay vì bị vứt bỏ. Có thể sử dụng các thành phần tái chế để làm lại điều tương tự hoặc, tận dụng trong trường hợp là nhiên liệu, thành các sản phẩm có giá trị cao hơn - tạo ra lợi ích cả về kinh tế và môi trường.

Giám đốc CPI LaShanda Korley, giáo sư nổi tiếng về khoa học vật liệu cho biết: “Phương pháp xúc tác sáng tạo này là một bước tiến đáng kể trong nhiệm vụ của chúng tôi đối với các quá trình khử phân tử hóa, tiêu tốn ít năng lượng hơn và tạo ra các mục tiêu phân tích cụ thể”.

Trường Đại học Delaware

Bình Minh dịch

Nguồn: Lab Manager- Hoa Kỳ