Tham vọng biến khí thải CO2 thành nhựa

Loại sản phẩm nhựa có kết quả tốt nhất trong nghiên cứu là từ dầu hóa thạch nguyên chất – Peter Styring, giáo sư Kỹ thuật Hóa chất và Hóa học 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.

Khoảng 4% dầu 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.

Có một lựa chọn thay thế mà các nhà hóa học đã theo đuổi trong hơn một thập niên, 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.

“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, giáo sư 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.

Giáo sư Styring lập luận: “Thật sự điên rồ khi nghĩ rằng bạn có thể tạo ra nylon từ carbon dioxide, nhưng chúng tôi đã làm được điều đó”.

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 đệm và chất cách nhiệt tủ lạnh.

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.

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 ô tô chạy trên đường.

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

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.

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 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 Chiến tranh thế giới lần 1) 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.

Ở Mỹ, các nhà hóa học 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.

Ngọc Linh (t/h)

Ngọc Linh (t/h)