Công nhân phân loại chai nhựa tại một điểm thu gom, tái chế rác thải ở quận Giao Giang, thành phố Thái Châu, tỉnh Chiết Giang (Trung Quốc), ngày 17/10/2023. Ảnh: Tân Hoa xã
Theo báo Bưu điện Hoa Nam buổi sáng, mỗi năm, thế giới sản xuất hơn 460 triệu tấn nhựa. Đặc tính khó phân hủy của loại vật liệu này đang làm gia tăng những lo ngại về tác động đối với môi trường. Các phương pháp xử lý truyền thống như đốt hoặc chôn lấp không chỉ gây lãng phí nguồn tài nguyên có thể tái sử dụng mà còn phát sinh lượng lớn chất ô nhiễm. Trong bối cảnh đó, một kỹ thuật hóa học mới chuyển đổi nhựa phế thải thành nhiên liệu hàng không đang nổi lên như giải pháp đầy triển vọng với chi phí thấp.
Nghiên cứu do nhóm chuyên gia thuộc Viện Nghiên cứu Tiên tiến Thượng Hải (Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc) phối hợp với Đại học Phục Đán thực hiện, tập trung vào quá trình hydro hóa cắt mạch (hydrogenolysis) đối với polyolefin. Phản ứng diễn ra trong điều kiện tương đối ôn hòa và có thể điều chỉnh để tạo ra các nhóm hydrocarbon theo mục tiêu mong muốn.
Polyolefin, chủ yếu gồm polyethylene và polypropylene, chiếm hơn 60% lượng rác thải nhựa trên thế giới. Tuy nhiên, đây cũng là nhóm vật liệu có tính trơ hóa học rất cao, khiến việc phân hủy và tái chế gặp nhiều trở ngại.
Trong khi đó, nhiên liệu hàng không chủ yếu được tạo thành từ các hydrocarbon có chuỗi carbon từ C8 đến C16. Vì vậy, quá trình chuyển đổi polyolefin có thể ví như việc cắt một tấm lưới đánh cá thành những đoạn có độ dài phù hợp: nếu cắt quá ngắn sẽ tạo ra những mảnh không còn giá trị sử dụng, còn nếu để quá dài thì cũng không đáp ứng yêu cầu làm nhiên liệu.
Yếu tố quyết định của công nghệ này là các chất xúc tác kim loại, đóng vai trò tạo ra các vị trí hoạt động giúp cắt và tái sắp xếp các liên kết carbon-carbon một cách có chọn lọc. Tuy nhiên, đây cũng chính là thách thức lớn nhất của phương pháp.
Trong quá trình hydro hóa cắt mạch polyolefin, các liên kết carbon-carbon ở hai đầu chuỗi phân tử bị phá vỡ dễ dàng hơn nhiều so với các liên kết nằm ở giữa. Hệ quả là phản ứng chủ yếu tạo ra các sản phẩm dạng khí như methane, thay vì các hydrocarbon lỏng cần thiết để sản xuất nhiên liệu.
Sự mất cân bằng này từ lâu đã trở thành nút thắt, cản trở việc chuyển đổi polyolefin thành các sản phẩm lỏng có giá trị theo hướng có kiểm soát.
Tiếp nối các nghiên cứu bắt đầu từ năm 2023, nhóm nghiên cứu đã xây dựng thành công cơ chế phản ứng giúp phân cắt có chọn lọc polyolefin để tạo ra các thành phần nhiên liệu phản lực thuộc dải C8-C16. Trên cơ sở đó, họ tiếp tục phát triển một chất xúc tác mới bằng cách bổ sung cobalt vào hệ xúc tác gồm nickel và silica.
Việc bổ sung cobalt giúp điều chỉnh trạng thái điện tử của nickel, từ đó nâng cao hiệu quả xúc tác trong quá trình hoạt hóa hydro và cắt các chuỗi carbon dài, đồng thời hạn chế hiện tượng phân cắt quá mức làm giảm chất lượng sản phẩm.
Nhờ vậy, chất xúc tác mới có khả năng định hướng phản ứng tạo ra tỷ lệ cao các hydrocarbon C8-C16 - nhóm hợp chất phù hợp để sản xuất nhiên liệu hàng không.
Một ưu điểm đáng chú ý khác là, khác với các phương pháp trước đây vốn phụ thuộc vào các kim loại quý có giá thành cao và khó triển khai ở quy mô công nghiệp, nickel và cobalt đều là những nguyên tố phổ biến, chi phí thấp. Đây được xem là lợi thế quan trọng nếu công nghệ được thương mại hóa trong tương lai.
Dù vậy, công nghệ này vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết. Các kết quả hiện mới được chứng minh ở quy mô phòng thí nghiệm và cần thêm nhiều nghiên cứu để mở rộng sang quy mô công nghiệp. Bên cạnh đó, nhựa phế thải cũng phải được xử lý sơ bộ hiệu quả, bởi các tạp chất có thể nhanh chóng làm giảm hoạt tính của chất xúc tác.
Đánh giá vòng đời công nghệ cho thấy, nếu sử dụng năng lượng tái tạo để vận hành, quy trình này có thể cắt giảm tới 80% lượng phát thải khí nhà kính so với các phương pháp sản xuất nhiên liệu truyền thống. Kết quả này cho thấy công nghệ không chỉ mở ra hướng nâng cao giá trị của rác thải nhựa mà còn góp phần thúc đẩy quá trình chuyển đổi sang các giải pháp năng lượng xanh.