Tái chế chất thải nhựa bằng xúc tác trực tiếp – Công nghệ nano tự nhiên

Theo một tài liệu gần đây do Liên minh Bảo tồn Thiên nhiên Quốc tế (IUCN) công bố, ít nhất 14 triệu tấn nhựa thải ra đại dương mỗi năm, đe dọa hệ sinh thái biển, an toàn thực phẩm và các hoạt động kinh tế.¹. Các phương pháp tiếp cận nhằm giảm thiểu tác động môi trường của nhựa trong đại dương bao gồm giảm sử dụng, tái sử dụng và tái chế. Tuy nhiên, trong số hơn 400 triệu tấn nhựa được sản xuất mỗi năm, chỉ có 9% được tái chế.², thường là bằng các phương pháp nhiệt phân cơ học hoặc nhiệt thông thường nhất thiết sẽ dẫn đến các sản phẩm có giá trị thấp hơn nhựa ban đầu hoặc thu hồi năng lượng dưới dạng nhiệt không hiệu quả³. Trong những năm gần đây, việc chuyển đổi xúc tác trực tiếp của nhựa thải thành nhiên liệu, hóa chất và vật liệu có giá trị gia tăng ngày càng được chú ý do những lợi ích kinh tế và môi trường tiềm tàng của nó.

Tín dụng: Sergey Ryzhov / Alamy Kho ảnh

Một cách phổ biến để trực tiếp tái chế chất thải nhựa là khử polyme nó thành các monome hoặc oligome có giá trị gia tăng (hoặc các dẫn xuất của chúng) mà không cần biến đổi tiếp theo. Thiết kế của chất xúc tác quyết định sản phẩm và sự phân phối của chúng. Ví dụ, với cấu trúc chất xúc tác lõi/vị trí hoạt động/lõi trung tính có trật tự, kết hợp các vị trí bạch kim xúc tác ở đáy của lỗ trung mô, polyetylen mật độ cao (HDPE) có thể được hydro hóa một cách có chọn lọc thành một phân bố hẹp của các ankan thuộc phạm vi bôi trơn và dầu diesel.⁴. Ngoài ra, các hạt nano ruthenium trên zeolite HZSM-5 xúc tác quá trình tái chế không chứa dung môi/không chứa hydro của HDPE thành dạng phân bố tuyến tính (C₁-NS₆) và hydrocacbon tuần hoàn (C₇-NS₁₅) (xem Bài báo trong vấn đề này của Du và đồng nghiệp).

Một chiến lược thú vị khác để trực tiếp tạo ra các sản phẩm có giá trị gia tăng là khử polyme chất thải nhựa và đồng thời chức năng hóa sản phẩm thô thu được. Việc sản xuất chất hoạt động bề mặt thơm từ polyetylen có thể đạt được ở điều kiện vận hành tương đối nhẹ, bằng cách kết hợp quá trình thơm hóa và thủy phân với chất xúc tác bạch kim/nhôm⁵. Ngoài ra, propylene có thể được sản xuất có chọn lọc từ polyetylen loại thải với hiệu suất lên tới 80% bằng cách khử hydro một phần và phân hủy ethenolysis song song của chuỗi không bão hòa.⁶.

Việc đưa các nguyên tử khác loại và halogen vào trong quá trình khử polyme cũng hỗ trợ việc hình thành các sản phẩm có giá trị gia tăng. Ví dụ, các sản phẩm hydrocarbon dạng khí có thể được tạo ra từ quá trình chuyển đổi trực tiếp polyetylen thông qua con đường oxy hóa. Quá trình xử lý bằng axit nitric chuyển polyetylen thành axit hữu cơ (axit succinic, glutaric và adipic), sau đó có thể được chuyển đổi bằng quang xúc tác hoặc xúc tác điện thành olefin⁷. Ngoài ra, quá trình tái chế oxy hóa polystyrene thành oxy thơm đã được thực hiện bằng chất xúc tác quang than chì cacbon nitrit dưới bức xạ ánh sáng khả kiến. Sự chuyển đổi polystyrene có thể đạt hơn 90% ở 150 °C, thu được chủ yếu là axit benzoic, acetophenone và benzaldehyde ở pha lỏng⁸.

Có nhiều cách tiếp cận gián tiếp khác để tái chế nhựa, trong đó nhựa thải trước tiên được khử polyme thành monome, oligome hoặc các dẫn xuất của chúng, sau đó có thể chuyển hóa tiếp thành các hóa chất có giá trị cao dưới tác dụng nhiệt, điện, quang hoặc điều kiện xúc tác sinh học. Lộ trình tái chế nâng cao này là gián tiếp, vì nó đi qua một bước sản xuất monome riêng biệt và nó có thể có tác động tiêu cực đến cả sự phân chia môi trường và tính kinh tế của quy trình so với lộ trình tái chế trực tiếp.⁹.

Nhựa thương mại thường là sự pha trộn của các thành phần hoặc công thức bao gồm polyme và các chất phụ gia phân tử nhỏ. Các yếu tố chính như tính đồng nhất và sắp xếp phân tử (mức độ phân nhánh và/hoặc liên kết ngang), độ kết tinh và trọng lượng phân tử xác định tính chất hóa lý của polyme và khả năng tiếp cận các liên kết hóa học, ảnh hưởng đến hiệu quả và độ chọn lọc của chất xúc tác. phương pháp phân hủy nhựa¹⁰. Để so sánh định lượng các chất xúc tác và quy trình đang được phát triển cho các nguyên liệu thô khác nhau với các thành phần hóa học và cấu trúc vật lý khác nhau, tính chất vật lý của chất nền polyme, thành phần hóa học và cấu trúc của chúng (danh tính monome, phân bố trọng lượng phân tử, điểm nóng chảy và độ kết tinh), cũng như cũng như các điều kiện phản ứng (pH, nhiệt độ, lượng chất nền, tốc độ khuấy, v.v.) cần được báo cáo một cách nghiêm ngặt. Phương pháp đo lường này trong tài liệu báo cáo là cần thiết để điều phối tiến bộ trong lĩnh vực này và giúp giải quyết vấn đề ô nhiễm nhựa một cách có ý nghĩa.