CVN Discovery: Cuộc cách mạng khí thải: Biến Carbon thành nhựa

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

Gần đây, nhựa đã nhận được rất nhiều báo về những ảnh hướng của nó đối với môi trường tự nhiên, đặc biệt là môi trường sống của sinh vật. Việc chúng ta sử dụng nó một cách bất cẩn đã gây ra hậu quả là lượng nhựa đã bao phủ và gần như lấp đầy trái đất và các đại dương với ước tính khoảng 8 nghìn tỷ tấn rác nhựa.

Không cần bàn cãi, nhựa đã cách mạng hóa cuộc sống trong thế kỷ 20 về tính bền, dẻo, vô trùng và linh hoạt, không có gì giống như polyme nhựa có thể được tìm thấy trong tự nhiên. Nếu không có nó, chúng ta không bao giờ có thể tạo ra các bản ghi vinyl, băng từ, phim ảnh hoặc đĩa compact. Nếu không có nhựa, âm nhạc và phim được ghi lại sẽ không thể thực hiện được. Y học hiện đại hoàn toàn phụ thuộc vào nhựa. Ví dụ như các túi máu, ống tiêm và ống mềm. Các bộ phận ô tô, vật liệu máy bay nhẹ, vệ tinh và tàu con thoi – tất cả đều dựa vào nhựa – đã cho phép chúng ta du hành khắp thế giới và khám phá vũ trụ. Và tất nhiên: máy tính, điện thoại, và tất cả các dạng công nghệ internet. Hầu hết mọi thứ xung quanh chúng ta đều được tạo nên từ những nguyên liệu nhựa.

Ngoài vấn rác thải nhựa, còn có một khía cạnh khó chịu khác đối với nhựa đó chính là các tạo ra nhựa từ nhiên liệu hóa thạch. Khoảng 4% lượng dầu và khí đốt mà chúng ta sử dụng hàng năm được đưa vào sản xuất polyme. Nghe có vẻ không nhiều, nhưng nó vẫn liên quan đến việc sản xuất nhựa được kết hợp với khai thác nhiên liệu hóa thạch và biến đổi khí hậu.

Nhựa sinh học, liệu có tốt?

Có lựa chọn thay thế không? Đã có rất nhiều hiện tượng cường điệu hóa chất dẻo sinh học, chẳng hạn như polylactide (PLA): dao kéo dùng một lần làm từ khoai tây, chai lọ làm từ ngô, túi đựng rác được chế tạo khéo léo từ chất thải thực phẩm, ống hút từ giấy hoặc từ tre,… Những logo hình chiếc lá xanh tươi vui mắt, có vẻ như là một giải pháp lý tưởng, nhưng sự thật thì không đơn giản chút nào. Thứ nhất, nhựa sinh học không phân hủy sinh học dễ dàng như chúng ta vẫn thường nghĩ đên, thường yêu cầu phải có các thiết bị như máy ủ công nghiệp để xử lý. Thậm chí tệ hơn, việc sản xuất ra những sản phẩm này cần rất nhiều năng lượng cần thiết để sản xuất ra chúng. Ví dụ như thu hoạch cây trồng bằng máy móc, xử lý nguyên liệu thô trong nhà máy, ….Nhựa sinh học thường có lượng khí thải carbon cao hơn nhựa thông thường.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Sheffield gần đây đã xem xét tác động môi trường của việc sản xuất chai nhựa từ nhiều loại vật liệu, bao gồm ngô và nhựa PET có thể tái chế, và nhựa sinh học. Nhờ chi phí phân bón, vận chuyển và thu hoạch, nhựa sinh học trở nên tồi tệ nhất. Tiến sĩ Peter Styring, Giáo sư Kỹ thuật Hóa học và Hóa học tại Đại học Sheffield, cho biết nguyên liệu chính góp phần trong quá trình sản xuất nhựa sinh học chính là dầu hóa thạch nguyên chất. Đây chính là kết quả mà các nhà nghiên cứu không hề mong muốn.

Hơn nữa, nước và phân bón có liên quan có thể góp phần gây ô nhiễm sông và cửa sông thông qua hiện tượng phú dưỡng. Thêm vào đó, nếu mọi người vô tình đưa nhựa sinh học để tái chế lại các vật dụng trong gia đình, các vật liệu này có thể làm ô nhiễm hơn nữa và làm giảm chất lượng của nhựa tái chế.

Có một giải pháp thay thế mà các nhà hóa học đã theo đuổi trong hơn một thập kỷ, và chúng ta đang trên bờ vực chứng kiến những kết quả mang lại chính là nhựa làm từ carbon dioxide.

Thay vì sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nguyên liệu thô, bạn có thể phát triển ngành công nghiệp này bằng cách sử dụng carbon dioxide thải bằng cách sử dụng các thủ thuật hóa học – điều này sẽ cách mạng hóa lĩnh vực hóa dầu.

GIÁM ĐỐC TRUNG TÂM SỬ DỤNG CARBON DIOXIDE VƯƠNG QUỐC ANH

Nhựa từ CO2

Giáo sư Styring, cũng là Giám đốc của Trung tâm Sử dụng Carbon Dioxide của Vương quốc Anh, đã nghiên cứu giải pháp này trong hơn một chục năm. Hiện tại, hầu hết carbon dioxide là từ quá trình sản xuất hydro, nhưng các nhà nghiên cứu cũng đang nghiên cứu để thu giữ khí thải công nghiệp.

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

Ví dụ, tại Trung tâm Sử dụng Carbon Dioxide, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách tạo ra polyacrylamide từ carbon dioxide. Giáo sư Styring nói: “Thật sự là điên rồ khi nghĩ rằng bạn có thể tạo ra Nylon từ carbon dioxide, nhưng chúng tôi đã làm được.

Chìa khóa để tạo ra nhựa từ carbon dioxide nằm ở việc thiết kế các chất xúc tác phức tạp – vật liệu giúp tăng tốc độ phản ứng hóa học mà không được sử dụng hết trong quá trình – chẳng hạn như các hợp chất 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 epoxit để tạo ra một họ hóa chất được gọi là “polyete polycarbonate polyols”, cơ sở của polyurethane – vật liệu được tìm thấy trong đệm, đệm và vật liệu cách nhiệt tủ lạnh.

Ngủ trên ga

Các nhà máy chăn nuôi ở Đức đang sản xuất nệm được tạo thành từ 20% carbon dioxide với thương hiệu Cardyon. Với hơn 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 bọt trên kệ trong vòng hai năm, cũng như chất phủ, chất bịt kín và chất đàn hồi.

Những vật liệu này không chỉ phù hợp với nhựa thông thường về chất lượng mà thậm chí chúng còn có thể vượt xa chúng ở một số khía cạnh. Leigh Taylor, Trưởng bộ phận Kinh doanh và Cấp phép của Econic cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra rằng một số vật liệu của chúng tôi đã nâng cao hiệu suất, chẳng hạn như khả năng chống cháy hoặc chống trầy xước.

Econic ước tính rằng nếu 30% của tất cả các polyol (các phân tử được sử dụng làm chất liên kết ngang) được tạo ra từ carbon dioxide, điều này sẽ dẫn đến việc tiết kiệm 90 triệu tấn carbon dioxide từ khí quyển – tương đương với bốn triệu cây, hoặc lấy hai hàng triệu chiếc xe trên đường. Hơn nữa, bởi vì carbon dioxide rất rẻ – khoảng 100 đô la một tấn, so với 2.000 đô la cho propylene oxit (nguyên liệu thô tiêu chuẩn) – nó sẽ tiết kiệm cho một nhà sản xuất 10 triệu đô la một năm cho một nhà máy có sản lượng 50 kilotonne hàng năm.

Một mục tiêu tham vọng hơn nữa là sản xuất ethylene từ carbon dioxide: khoảng một nửa lượng nhựa mà chúng tôi sản xuất trên toàn cầu được tạo ra từ 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 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 nhựa polyethylene trên quy mô thương mại từ ethylene làm từ carbon dioxide. Giáo sư Andreoli nói: “Nhưng chúng ta sẽ không thể sản xuất ethylene từ nhiên liệu hóa thạch trong vòng 30 hoặc 40 năm nữa – vì vậy chúng ta cần phải theo đuổi những cách khác để tạo ra nó từ carbon dioxide.

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 một cách tạo ra polycarbonate (được sử dụng cho các vật chứa có thể tái sử dụng như bình sữa trẻ em) bằng cách kết hợp carbon dioxide với các loại đường như xylose, thành phần chính trong gỗ. dễ dàng bắt nguồn từ máy xay cà phê đã qua sử dụng.

Các quy trình sản xuất polycarbonate hiện nay thường sử dụng phosgene (một loại khí độc được sử dụng làm vũ khí hóa học trong Thế chiến I) và một hóa chất gọi là bisphenol-A, bắt chước estrogen và hiện bị cấm sử dụng trong các sản phẩm dành cho trẻ em ở các quốc gia như Canada. Polycarbonate làm từ đường sẽ an toàn hơn khi sản xuất và an toàn hơn khi sử dụng, làm cho nó thích hợp cho việc cấy ghép y tế, khâu và giá đỡ nội tạng.

Tại Mỹ, các nhà hóa học tại Đại học Rutgers đã phát triển một kỹ thuật mới sử dụng chất xúc tác điện có chứa niken và phốt pho để kết hợp nước và carbon dioxide với điện để tạo ra các phân tử phức tạp chứa carbon có thể được sử dụng để sản xuất nhựa và các sản phẩm khác như dược phẩm. “Đây thực chất là quá trình quang hợp nhân tạo,” Giáo sư Charles Dismukes, Giáo sư xuất sắc tại Khoa Hóa học và Sinh học Hóa học tại Đại học Rutgers – New Brunswick, cho biết. “Chúng tôi biết rằng có thể đánh bại quá trình quang hợp tự nhiên để đạt hiệu quả – và điều này chỉ là thổi bay nó.”

Giáo sư Dismukes cho biết các cách thông thường để sản xuất nhựa có thể là tiêu chuẩn – nhưng điều đó không khiến chúng trở nên lý tưởng.

Ông nói: “Việc tạo ra các khối xây dựng monome từ nhiên liệu hóa thạch là một quá trình tốn nhiều năng lượng và bẩn thỉu: sử dụng nhiệt để thúc đẩy phản ứng hóa học diễn ra chậm chạp, vô cùng lãng phí và không hiệu quả. “Chúng tôi không cần phải làm theo cách đó.”

Ngủ trên khí gas

Những vật liệu này không chỉ giống với nhựa thông thường về chất lượng mà thậm chí chúng còn có thể vượt xa chúng ở một số khía cạnh. Leigh Taylor, Trưởng bộ phận Kinh doanh và Cấp phép của Econic cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra rằng một số vật liệu của chúng tôi đã nâng cao hiệu suất, chẳng hạn như khả năng chống cháy hoặc chống trầy xước.

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

“Đây thực chất là quá trình quang hợp nhân tạo,” Giáo sư Charles Dismukes, Giáo sư xuất sắc tại Khoa Hóa học và Sinh học Hóa học tại Đại học Rutgers – New Brunswick, cho biết. “Chúng tôi biết rằng có thể đánh bại quá trình quang hợp tự nhiên để đạt hiệu quả và điều này chỉ là thổi bay nó.”