Giải pháp biến khí thải CO2 thành nhựa

Zoe CormierBBC Earth

Nhựa đã bị đưa tin rất tiêu cực trên báo chí trong thời gian gần đây – và nó đáng bị như vậy.

Chúng ta sử dụng nhựa bừa bãi, khiến cho ước tính khoảng tám nghìn tỷ tấn rác thải nhựa đã bị xả đầy Trái Đất và làm ngập các đại dương.

Nhưng mặt tối của rác thải nhựa có thể làm lu mờ tầm quan trọng của nó: không gì có thể phủ nhận rằng nhựa đã tạo một cuộc cách mạng cho cuộc sống trong Thế kỷ 20.

Bền, dẻo, vô trùng và đa dụng, trong tự nhiên chúng ta không thể tìm thấy gì giống như nhựa.

Nếu không có nó, chúng ta sẽ không bao giờ tạo ra được đĩa nhựa, băng từ, phim ảnh hoặc đĩa compact. Không có nhựa thì sẽ không thể nào có nhạc ghi âm và phim được ghi lại.

Y học hiện đại hoàn toàn phụ thuộc vào nhựa – hãy nghĩ đến túi máu, ống tiêm và ống linh hoạt.

Phụ tùng ô tô, vật liệu máy bay nhẹ, vệ tinh và tàu con thoi vũ trụ – tất cả đều phụ thuộc vào nhựa – đã cho phép chúng ta đi khắp thế giới và khám phá vũ trụ.

Và tất nhiên: máy tính, điện thoại, và tất cả các dạng công nghệ internet. Hầu như mọi người đang đọc bài này có thể đọc được như thế là nhờ nhựa. Nhìn xung quanh bạn và bạn sẽ nhận ra cuộc sống hàng ngày của bạn có bao nhiêu là nhờ vào nhựa.

Ngoài việc xả rác thải nhựa, có một mặt xấu nữa của nhựa: nguồn gốc của nó. Thật dễ quên rằng nhựa được làm từ nhiên liệu hóa thạch.

Khoảng bốn phần trăm dầu hỏa và khí đốt mà chúng ta sử dụng hàng năm được dùng để sản xuất polymer – nghe có vẻ không nhiều, nhưng nó vẫn là sản xuất nhựa được kết hợp với khai thác nhiên liệu hóa thạch và biến đổi khí hậu.

Nhựa sinh học – có tốt như tên gọi của nó không?

Có lựa chọn thay thế hay không? Mọi người đã tung hô quá nhiều về nhựa sinh học, chẳng hạn như polylactide (PLA): muỗng nĩa dùng một lần làm từ khoai tây, chai được làm từ ngô, túi rác được chế tạo khéo léo từ thực phẩm bỏ đi.

Mang logo hình chiếc lá xanh vui vẻ, chúng có vẻ là giải pháp lý tưởng, nhưng sự thật còn lâu đơn giản.

Một nguyên nhân là nhựa sinh học không phân hủy sinh học dễ dàng như tên gọi của nó, thường cần phải có nhà máy chế biến công nghiệp để xử lý.

Tệ hơn nữa, khi bạn tính đến năng lượng cần thiết để sản xuất chúng – thu hoạch bằng máy móc, chế biến nguyên liệu thô trong các nhà máy…, nhựa sinh học thường có lượng khí thải carbon cao hơn nhựa truyền thống.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Sheffield gần đây đã kiểm tra tác động môi trường đầy đủ của việc sản xuất chai nhựa từ một loạt các vật liệu, bao gồm ngô và polyethylene tái chế, và nhựa sinh học có kết quả không được tốt.

Do chi phí phân bón, vận chuyển và thu hoạch, nhựa từ chế phẩm sinh học có kết quả tệ nhất.

Loại sản phẩm nhựa có kết quả tốt nhất trong nghiên cứu là từ dầu hóa thạch nguyên chất, Tiến sĩ Peter Styring, giáo sư Kỹ thuật Hóa chất và Hóa học tại Đại học Sheffield, cho biết. Đây không phải là kết quả mà các nhà nghiên cứu hy vọng tìm thấy.

Hơn nữa, nước và phân bón được sử dụng có thể góp phần gây ô nhiễm các dòng sông và cửa sông. Thêm vào đó, nếu mọi người vô tình đưa nhựa sinh học vào rác tái chế trong hộ gia đình, chúng có thể làm ô nhiễm dòng tái chế và làm giảm chất lượng của nhựa tái chế.

Cho đến nay, thật đáng thất vọng.

Có một lựa chọn thay thế mà các nhà hóa học đã theo đuổi trong hơn một thập kỷ, và chúng ta đang ở ngưỡng chứng kiến nỗ lực gian khổ của hàng ngàn nhà nghiên cứu đơm hoa kết trái: nhựa làm từ carbon dioxide.

Nhựa từ CO2

\”Thay vì sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nguyên liệu, bạn có thể thay đổi hoàn toàn ngành công nghiệp này bằng cách sử dụng chất thải carbon dioxide với các thủ thuật hóa học – điều này sẽ tạo nên một cuộc cách mạng trong ngành hóa dầu,\” Giáo sư Styring, cũng là Giám đốc Trung tâm Tận dụng Carbon Dioxide của Anh (CDUUK), vốn đã nghiên cứu giải pháp này trong hơn một chục năm, cho biết.

Hiện tại, ông lấy carbon dioxide chủ yếu từ quá trình sản xuất hydrogen, nhưng các nhà nghiên cứu đang làm việc để hướng đến thu được khí thải công nghiệp.

Điều này không chỉ làm giảm lượng nhiên liệu hóa thạch mà chúng ta sử dụng, mà nó còn có tác động đến biến đổi khí hậu, giảm phát thải khí nhà kính.

Chẳng hạn như tại CDUUK, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách tạo ra polyacrylamide từ carbon dioxide. \”Thật sự điên rồ khi nghĩ rằng bạn có thể tạo ra nylon từ carbon dioxide, nhưng chúng tôi đã làm được điều đó,\” Giáo sư Styring nói.

Chìa khóa để tạo ra nhựa từ carbon dioxide nằm ở việc thiết kế các chất xúc tác tinh vi – vật liệu làm tăng tốc độ phản ứng hóa học mà không bị tiêu hóa trong phản ứng – chẳng hạn như các hợp chất có chứa kim loại như đồng.

Các nhà khoa học tại Covestro đã phát hiện ra một chất xúc tác có thể cho phép carbon dioxide phản ứng với epoxide để tạo ra một họ hóa chất gọi là \”polyether polycarbonate polyols\” – cơ sở của polyurethane, vật liệu được tìm thấy trong nệm, đệm và cách nhiệt tủ lạnh.

Nằm ngủ giữa khí thải CO2

Các nhà máy Covestro ở Đức đang sản xuất nệm được tạo thành từ 20% carbon dioxide dưới thương hiệu Cardyon.

Do có trên 15 triệu tấn polyurethane được sản xuất trên toàn cầu mỗi năm, việc chuyển sang sử dụng carbon dioxide làm nguyên liệu có thể có tác động rất lớn.

Tại Anh, Econic cũng đang sản xuất polyurethane từ carbon dioxide, và dự kiến sẽ có các sản phẩm nệm trên kệ hàng trong vòng hai năm, cũng như các chất phủ bề mặt, chất bịt kín và chất đàn hồi.

Những vật liệu này không chỉ đạt đến chất lượng nhựa thông thường, thậm chí chúng còn có thể vượt xa ở một số khía cạnh.

\”Chúng tôi đang khám phá ra rằng một số vật liệu của chúng tôi giúp sản phẩm có chất lượng cao hơn, chẳng hạn như khả năng chống cháy hoặc chống trầy xước,\” Leigh Taylor, Trưởng phòng Kinh doanh và Cấp phép của Econic cho biết.

Econic ước tính rằng nếu 30% tất cả polyol (phân tử được sử dụng làm tác nhân liên kết chéo) được tạo ra từ carbon dioxide, điều này sẽ giúp tiết kiệm 90 triệu tấn carbon dioxide trong khí quyển – tương đương với bốn triệu cây xanh, hoặc bớt hai triệu xe hơi chạy trên đường.

Hơn nữa, do carbon dioxide rất rẻ – khoảng 100 đô la một tấn, so với 2.000 đô la cho một tấn propylene oxide (vật liệu thô tiêu chuẩn) – nó sẽ tiết kiệm cho nhà sản xuất 10 triệu đô la một năm cho nhà máy có công suất hàng năm 50 là kilotonne.

Một mục tiêu thậm chí còn tham vọng hơn là sản xuất ethylene từ carbon dioxide: khoảng một nửa lượng nhựa chúng ta sản xuất trên toàn cầu được tạo ra bằng ethylene, khiến nó trở thành một trong những nguyên liệu thô quan trọng nhất trên thế giới.

Tại Đại học Swansea, Giáo sư Enrico Andreoli thuộc Viện Nghiên cứu An toàn Năng lượng và nhóm của ông đang nghiên cứu để phát triển các chất xúc tác có chứa đồng, cho phép tạo ra ethylene bằng cách kết hợp carbon dioxide với nước và điện.

Có thể mất 20 năm để sản xuất polyetylen nhựa từ ethylene được làm từ carbon dioxide ở quy mô khả thi về mặt thương mại.

\”Nhưng chúng ta sẽ không thể tạo ra ethylene từ nhiên liệu hóa thạch trong vòng 30 hoặc 40 năm – vì vậy chúng tôi cần phải theo đuổi những cách khác để tạo ra nó từ carbon dioxide,\” Giáo sư Andreoli nói chỉ để cho thấy sự so sánh.

Tại Đại học Bath, các nhà hóa học dưới sự chỉ đạo của Giáo sư Antoine Buchard tại Trung tâm Công nghệ hóa học bền vững đã phát triển cách để tạo ra polycarbonate (được sử dụng làm vật liệu đựng tái sử dụng như chai con) bằng cách kết hợp carbon dioxide với đường như xyloza, thành phần chính trong gỗ có thể dễ dàng chiết xuất từ cà phê xay đã sử dụng.

Các quy trình sản xuất polycarbonate hiện tại thường sử dụng phosgene (một loại khí độc được sử dụng làm vũ khí hóa học trong Đệ nhất Thế chiến) và một hóa chất gọi là bisphenol-A, vốn bắt chước estrogen và hiện bị cấm sử dụng trong các sản phẩm trẻ em ở các quốc gia như Canada. Polycarbonate đường sẽ an toàn hơn để sản xuất và sử dụng, khiến nó phù hợp cho cấy ghép y tế, khâu và khung nội tạng.

Ở Mỹ, các nhà hóa học tại Đại học Rutgers đã phát triển một kỹ thuật mới sử dụng các chất điện phân có chứa niken và phốt pho để kết hợp nước và carbon dioxide với điện để tạo ra các phân tử phức chứa carbon vốn có thể được sử dụng để sản xuất nhựa và các sản phẩm khác như dược phẩm.

\”Về cơ bản đây là quang hợp nhân tạo,\” Charles Dismukes, giáo sư tại Khoa Hóa học và Sinh hóa tại Đại học Rutgers, tỉnh New Brunswick, cho biết. \”Chúng tôi biết rằng có thể thắng được quang hợp tự nhiên về tính hiệu quả.\”

Các cách quy ước để sản xuất nhựa có thể vẫn là chuẩn mực – nhưng điều đó không làm cho chúng trở thành lý tưởng, giáo sư Dismukes nói.

\”Việc tạo ra các khối monome (phân tử đơn thể) từ nhiên liệu hóa thạch là một quá trình rất tốn năng lượng và rất ô nhiễm: sử dụng nhiệt để thúc đẩy phản ứng hóa học là rất chậm, và vô cùng lãng phí và không hiệu quả,\” ông nói. \”Chúng ta không cần phải làm theo cách đó.\”

Bài tiếng Anh đã đăng trên BBC Earth.