Chất dẻo sinh học tự phân hủy

Ngày đăng: 03:23:43 31-05-2015

Chất dẻo tổng hợp và những hậu quả đối với môi trường

Tái chế chất dẻo là một vấn đề đặc biệt quan trọng đối với môi trường

Kỷ nguyên polyme mà nhiều người cho rằng đã bắt đầu vào năm 1907 với sự ra đời của chất dẻo bakelit do nhà hóa học Leo Bakeland phát minh – đã giúp cải thiện rất nhiều cuộc sống của con người, nhưng cũng mang lại những hậu quả không mong muốn. Hiện nay, ngành sản xuất chất dẻo tổng hợp trên toàn thế giới đang sử dụng hơn 60 triệu lao động và sản xuất mỗi năm hơn 200 triệu tấn vật liệu chất dẻo. Sản xuất polyme thương mại tiêu thụ khoảng 5% trữ lượng toàn cầu về nhiên liệu hóa thạch hữu hạn, như khí thiên nhiên và dầu mỏ. Mặt khác, phần lớn các sản phẩm chất dẻo đều có độ bền cao và có thể tồn tại hàng nghìn năm trong điều kiện bình thường, do đó đang góp phần đáng kể gây ra những núi rác thải ngày càng lớn trên toàn thế giới.

Những hình ảnh túi ni-lông, các sản phẩm phế thải từ nhựa, polymer tràn ngập các bãi biển đang ngày càng phổ biến

Túi chất dẻo phế thải là một trong những ví dụ điển hình về vấn đề rác thải của nhân loại Mỗi năm, con người tiêu thụ hơn 1 nghìn tỷ túi PE để đựng các loại hàng hóa khác nhau. Ở một số nước, ví dụ Pháp, tỷ lệ tái chế đối với chất dẻo PET tương đối cao ( > 80%), nhưng ở những nước khác như Mỹ thì tỷ lệ này khá thấp ( < 30%). Trong khi một số sản phẩm chất dẻo đã qua sử dụng được xử lý bằng cách đốt để thu hồi năng lượng, phần lớn các sản phẩm khác hoặc là được chôn lấp hoặc tệ hơn nữa là vứt bỏ ra môi trường. Những chất dẻo có thể nôi trên mặt nước như PE và PP, đã dễ dàng tìm đường ra các đại dương – đích đến của khoảng 5 triệu tấn chất dẻo mỗi năm. Như vậy, cứ mỗi phút lại có 10 tấn chất dẻo phế thải đổ vào các đại dương trên thế giới.

Những hạn chế của chất dẻo PLA

Ngày nay, khoảng 5% nguyên liệu được sử dụng trong ngành sản xuất hóa chất Mỹ là các loại nguyên liệu có thể tái sinh. Một số chương trình và kế hoạch của chính phủ Mỹ đã đề ra mục tiêu tăng tỷ lệ này lên 25% vào năm 2030, trong khi đó một số tập đoàn hóa chất lớn như Dow Chemical và BASF đã công bố những kế hoạch đầy tham vọng với những mục tiêu lớn hơn.

Ước tính, lượng sinh khối được tạo ra hàng năm trên Trái Đất ( chủ yếu nhờ quá trình quang hợp ) là khoảng 170 tỷ tấn, gấp khoảng 1000 lần lượng chất dẻo tổng hợp được sản xuất ra. Tuy nhiên sinh khối này vẫn không đủ để đáp ứng nhu cầu của chúng ta về nguyên liệu cho sản xuất các sản phẩm polyme.

Có lẽ chất dẻo tổng hợp than môi trường ngày này là polyeste axit polylactic ( PLA) . Nhà máy PLA lớn nhất thế giới hiện nằm ở Blair, bang Nebraska, Mỹ. Tại đó, tinh bột ngô được chuyển hóa thành glucoza, sau đó glucoza được lên men một phần để chuyển hóa thành axit lactic. Công suất của nhà máy là 250.000 tấn/ năm, thấp hơn khoảng 1.000 lần sản lượng của toàn bộ ngành sản xuất polyme. Tuy nhiên, ngày nay PLA đã có mặt trong nhiều loại sản phẩm bao bì có thể phân hủy, ví dụ cốc chén và khay đựng hoa quả trong các nhà hàng, và cả trong các sản phẩm hàng hóa lâu bền, như sợi Ingeo dùng trong ngành dệt may.

Trước đây, nhiều nhà quan sát công nghiệp cho rằng PLA sẽ không bao giờ trở nên khả thi do chi phí sản xuất quá cao : Ban đầu giá PLA cao gấp 15 – 20% lần giá của các loại polyolefin. Tuy nhiên, nhờ sản xuất quy mô lớn nên ngày nay mức giá này chỉ còn cao hơn 15 – 20% so với giá của PET đi từ nhiên liệu hóa thạch mà hiện đang được sử dụng rộng rãi để sản xuất chai nước, màng mỏng và vải sợi.

PLA từng là niềm hi vọng lớn của chất dẻo sinh học, nhưng theo thời gian, nó cũng đã bộc lộ nhiều nhược điểm

Tuy PLA đã nhận được nhiều khen ngợi của các nhà bảo vệ môi trường, nhưng nó cũng có một số nhược điểm quan trọng. Chẳng hạn, PLA không bị phân hủy hoặc phân hủy sinh học trong các bãi chôn lấp thông thường, tương tự như các loại polyme truyền thống. Trong khi đó, việc vận chuyển các sản phẩm làm từ PLA đến các địa điểm làm phân trộn công nghiệp để tiến hành phân hủy sinh học thường là không khả thi. Hơn nữa, phạm vi nhiệt độ hữu ích của PLA bị hạn chế do nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh thấp ( 55^oC), trên nhiệt độ polyme sẽ mất đi tính chất cứng và bị biến dạng. Vị vậy, bao bị PLA không thích hợp để đựng đồ uống hoặc thức ăn nóng, trên cốc nhựa PLA thường có ký hiệu cảnh báo “Chỉ sử dụng cho đồ uống nguội”.

Xu hướng nghiên cứu các chất dẻo sinh học mới

Một số nhóm nghiên cứu ở Mỹ đang tìm cách lấy cảm hứng từ thiên nhiên để phát triển các sản phẩm polyme sinh học kiểu mới. Một nửa lượng cacbon hữu cơ trong môi trường của con người hiện nằm ở dạng polyme phong phú nhất trên thế giới, đó là xenluloza. Các monomer glucoza tạo ra xenluloza thường được liên kết bởi nhóm chức axetal có thể thủy phân (-OCO-), đây là nhóm chức rất hiếm gặp trong lĩnh vực sản xuất polyme tổng hợp. Khi đưa nhóm axetal có thể thủy phân dễ dàng này vào bộ khung của PLA, một số nhà nghiên cứu đã tạo ra được dạng PLA có thể thủy phân. Căn cứ theo tốc độ mất trọng lượng của polyme trong nước cất hoặc nước biển, các nhà khoa học đã ước tính thời gian phân hủy của polyme PLA mới là 5 – 10 năm.

Các nhà nghiên cứu Mỹ cũng đã phát triển loại polyaxetal khác, có cấu trúc tương tự polyetylen nhưng được chiết xuất từ các loại dầu sinh học. Mục đích của các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này sẽ là thay đổi các tính chất nhiệt và cơ của polyetylen cho phù hợp, nhưng vẫn duy trì khả năng phân hủy trong nước của polyaxetal – nhờ đó có thể giảm đáng kể khối lượng các chất dẻo tồn tại dai dẳng trong các đại dương.

Một loại polyme khác cũng đang được các nhà nghiên cứu quan tâm là PET. Polyme này chiếm khoảng 18% thị trường chất dẻo toàn cầu. Tại Mỹ, người dân thải bỏ mỗi giờ hơn 6 triệu chai PET. Do PET là một polyeste thơm, phương pháp thích hợp để biến đổi các tính chất nhiệt của PET là thu hồi các chất thơm từ thiên nhiên và sử dụng chúng làm nguyên liệu monome. Lignin, chiếm khoảng 30% thành phần của cây, là polyme hữu cơ phong phú thứ hai trên Trái Đất và là nguôn cung cấp tốt nhất các chất thơm có thể tái tạo. Lignin là sản phẩm phụ quan trọng của ngành sản xuất giấy, nhưng hiện nay hầu như toàn bộ sản phẩm này đều bị đốt tại chỗ để thu hồi năng lượng.

Nhưng ngày nay chúng ta đã có công nghệ với khả năng chiết xuất hai loại phân tử riêng rẽ là vanilin và axit pherulic từ nguyên liệu lignin hoặc lignoxenluloza có trong cám lúa mì hoặc cám gạo. Các phân tử chất thơm này có tiềm năng trở thành các nguyên liệu ban đầu rất sẵn có và quan trọng thiết yếu cho nhiều ngành sản xuất. Ví dụ, axit polyester polydihy – dropherulic ( PHFA) có nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg = 73^oC) cao hơn so với PET (Tg = 67^oC). Điều quan trọng là sản phẩm thủy phân của PHFA là axit dihydropherulic, một loại chất chống oxy hóa có mặt trong trà, cà phê, hạt ngũ cốc chưa xay và các thực phẩm giàu các chất chống oxy hóa khác. Hợp chất họ hàng của nó là axit pherullic hiện đã được bán trên thị trường ở dạng các viên 250mg dùng như thực phẩm bổ sung. Trong những nỗ lực nghiên cứu mới đây, các nhà khoa học Mỹ đã phát triển các phương pháp đồng trùng hợp PHFA với nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh trên 150^oC. Phạm vi nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh rộng của những vật liệu đó khiến cho chúng trở thành những ứng viên xuất sắc để thay thế polyester (Tg = 95^oC) trong sản xuất cốc, đĩa, đồ dùng nấu ăn, bao bì dùng một lần… và cho các quá trình đóng chai, đóng hộp nóng.

Kết hợp với các nhà thiết kế thời trang, các nhà nghiên cứu cũng đang tìm cách đưa các polyester thơm kiểu mới này vào các loại sợi để sản xuất các loại quần áo thân môi trường.

Nghiên cứu sử dụng nguyên liệu metanol

Ngày nay etylen là phân tử hữu cơ được sản xuất ở quy mô lớn nhất trên toàn cầu, phần lớn được sử dụng cho sản xuất poly – etylen với sản lượng đến 80 triệu tấn/ năm – khoảng 40% thị phần của toàn bộ các polyme tổng hợp. Với những nỗ lực ngày càng tăng trong việc thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng sinh khối thân môi trường, nhiều người cho rằng đường (glucoza, monome của xenluloza) là “dầu mỏ mới”. Nếu đúng như vậy, thì sẽ hợp lý nếu đặt ra câu hỏi. Vậy “etylen mới” là gì ? Một số nhà nghiên cứu cho rằng, formaldehyt chính là “etylen mới”.

Formaldehyt và etylen có trọng lượng gần như trùng hợp và cả hai đều có cacbon tham gia trong liên kết đôi với hoạt tính cao, nhưng formaldehyt cũng chia sẽ tình trạng oxy hóa và công thức thực nghiệm của sinh khối, tương tự như xenluloza và đường. Một trong những ứng dụng tiềm năng của formaldehyt có thể dựa trên khả năng đông trùng hợp luân phiên với CO một cách hoàn hảo. Quá trình này đã được tối ưu hóa để thu được axit polyglycolic (PGA) mà về mặt chức năng tương đương với PGA thương mại, nhưng có thể được sản xuất với số bước ít hơn, nhờ đó giảm nhiều các sản phẩm phụ không cần thiết.

Trước đây, chi phí cao và quy mô sản xuất nhỏ của PGA – so với PLA – đã ngăn ngừa khả năng sử dụng hợp chất này trong các ứng dụng thương mại. Nhưng điều quan trọng là các monome C1 không đắt tiền (formaldehyt và CO) có thể được sản xuất từ methanol mà từ cách đây hàng trăm năm đã được sản xuất theo phương pháp chưng cất gỗ.

Nếu kinh tế đi từ nguyên liệu methanol đã được nhiều nhà nghiên cứu đánh giá là thân môi trường, dựa trên nguyên liệu sinh học, có khả năng thay thế nền kinh tế đi từ nguyên liệu dầu mỏ và các nhiên liệu hóa thạch khác. Nếu nền kinh tế đi từ methanol đạt được những thành công trong tương lai, các loại polyme dẫn xuất từ nguyên liệu C1 này sẽ trở thành những loại polyme nổi bật về hiệu quả kinh tế.

Xu hướng phát triển của thị trường

Một trong những trở ngại cho sự phát triển của polymer xanh là động lực quá lớn hiện nay của ngành sản xuất polyme đi từ nhiên liệu hóa thạch. Nhiều công ty hàng đầu trên thế giới rất quan tâm đến việc tìm ra các quy trình sinh học để sản xuất các chất dẻo hàng hóa, có khả năng được kết hợp vào cơ sở hạ tầng về chế biến hiện nay của ngành, nhưng họ ít quan tâm đến việc phát triển các chất dẻo kiểu mới cho các sản phẩm bao bì và hàng hóa. Tư tưởng này giải thích phần nào thành công thành công của polyetylen đi từ nhiên liệu sinh học và sản phẩm PET Plantbottle của Công ty Coca Cola. Bằng cách sử dụng etanol sinh học đi từ đường lên men, các công ty Dow Chemical và Brasken đã sản xuất poly – etylen sinh học với sản lượng đứng đầu trong số các polyme tổng hợp đi từ nguyên liệu sinh học có thể tái tạo. Tương tự, Công ty Coca – Cola đã nghiên cứu etanol sinh học để tổng hợp comonome etylen glycol cho PET Plantbottle, nhờ đó đạt hàm lượng nguyên liệu sinh học đến 30%. Những phương pháp như vậy tuy trên danh nghĩa đã tìm cách giải quyết một số thách thức trong sản xuất polyme xanh, nhưng không đề cập đến việc loại bỏ các loại polyme truyền thống. Trên thực tế, polyetylen sinh học và PET Plantbottle đều có khả năng phân hủy không cao, tương tự như các sản phẩm đi từ nguyên liệu dầu mỏ.

Thị trường chất dẻo toàn cầu hiện nay là ngành sản xuất công nghiệp với doanh số 1200 tỷ USD/ năm. Các sản phẩm chất dẻo cho những ứng dụng bao bì ngắn hạn chiếm khoảng một phần ba doanh số này.

Tương tự như việc quay đầu một chiếc tàu chở dầu nặng nề, động lực của ngành sản xuất chất dẻo đang thay đổi từ từ và chậm rãi. Một bước nhảy định lượng sẽ chỉ xảy ra khi các công ty cần đáp ứng như cầu tăng mạnh của người tiêu dùng, liên kết với sự sẵn sàng chấp nhận chi phí cao hơn, ít nhất là trong giai đoạn quảng bá ban đầu và giai đoạn tăng trưởng của các sản phẩm polyme xanh tiếp theo.

Tiềm năng của chất dẻo sinh học trong việc thay thế các chất dẻo truyền thống, kể cả sợi tổng hợp, là 90%. Điều đó có nghĩa là, chỉ khoảng 10% các sản phẩm polyme mà chúng ta sử dụng hàng ngày sẽ cần phải được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch vì chúng có những đặc điểm tính năng đặc biệt mà polyme đi từ nguyên liệu sinh học không thể có được. Do đó, trên lý thuyết ngành sản xuất bao bì polyme sinh học có khả năng sẽ tăng trưởng doanh thu với tốc độ hàng trăm tỷ USD mỗi năm.

Năm 2007, ngành sản xuất polyme “xanh” tại Mỹ mới chỉ đạt doanh thu 1 tỷ USD, nhưng sẽ nhanh chóng đạt đến mục tiêu 10 tỷ USD vào năm 2020. Trong quá trình đó, các loại polyme thân môi trường sẽ tiếp tục thay thế cho các nguyên liệu truyền thống.

Sự tăng trưởng của sản xuất polyme đi từ nhiên liệu sinh học sẽ được đẩy nhanh bởi sự suy giảm các nguồn tài nguyên nhiên liệu hóa thạch, sự tăng giá của nhiên liệu hóa thạch và sự thay đổi quan điểm khi người tiêu dùng chuyển hướng sang sử dụng các sản phẩm thân môi trường. Dĩ nhiên, các đổi mới kỹ thuật và công nghệ cũng sẽ là dộng lực quan trọng thúc đẩy sự tăng trưởng của thị trường polyme xanh trên thế giới.

Theo Tạp chí Công nghiệp và Hóa chất