Sống trong thế giới nhựa: giải quyết vấn đề ô nhiễm nhựa

Vì không thể phân hủy sinh học, nhựa tích tụ trong môi trường, làm thay đổi môi trường sống và các quá trình tự nhiên. Hàng triệu động vật hoang dã cũng bị mắc kẹt bởi rác thải nhựa mỗi năm.

Khi nhựa phân hủy, chúng giải phóng các hợp chất độc hại gây ô nhiễm môi trường. Chúng cũng phân hủy thành các mảnh nhựa nhỏ gọi là vi nhựa. Vi nhựa hiện có mặt trên khắp thế giới và có liên quan đến các tác động nghiêm trọng đến sức khỏe như rối loạn chuyển hóa và tổn thương nội tạng.

Tái chế nhựa giúp giảm lượng rác thải nhựa mà nếu không sẽ bị thải bỏ và bảo tồn tài nguyên thiên nhiên. Tuy nhiên, hiện nay chỉ có khoảng 10 phần trăm nhựa được tái chế trên toàn thế giới. Con số này thấp một phần là do việc tái chế một số loại nhựa, chẳng hạn như rác thải điện tử và rác thải nhựa trên biển, rất khó khăn. Các phản ứng hóa học phân hủy nhựa thành các thành phần đơn giản hơn để tái sử dụng cũng tiêu tốn nhiều năng lượng.

Từ việc sử dụng nhựa thải điện tử để nuôi cấy tế bào đến phát triển phương pháp xanh hơn để phân hủy nhựa, các nhà nghiên cứu tại NTU Singapore đang giải quyết một số thách thức lớn nhất cản trở quá trình tái chế nhựa. Họ cũng đang có những bước tiến trong việc giảm ô nhiễm nhựa.

Tái sử dụng nhựa thải điện tử để nuôi “khối u nhỏ” phục vụ cho thử nghiệm trong phòng thí nghiệm

Nhựa chiếm phần lớn trong rác thải điện tử (e-waste), và những tiến bộ nhanh chóng về công nghệ, cùng nhu cầu cao của người tiêu dùng thúc đẩy việc sử dụng ngày càng tăng trong các thiết bị điện tử. Theo một báo cáo của Liên hợp quốc, lượng rác thải điện tử tăng nhanh gấp năm lần so với số liệu về tỷ lệ tái chế chính thức. Vào năm 2022, rác thải điện tử tạo ra 17 triệu tấn nhựa trên toàn cầu.

Nhựa dùng một lần cũng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng nghiên cứu và chăm sóc sức khỏe như nuôi cấy tế bào.

Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) là một loại nhựa điện tử thường được sử dụng trong vỏ của các thiết bị như bàn phím và máy tính xách tay. Việc tái sử dụng nhựa như ABS cho các ứng dụng y sinh có giá trị cao có thể là một chiến lược hấp dẫn để biến rác thải thành tài nguyên nhằm giảm thiểu rác thải nhựa một cách hiệu quả.

Các nhà khoa học của NTU đã phát triển một ma trận tổng hợp để nuôi cấy tế bào bằng ABS từ bàn phím đã qua sử dụng. Ma trận này xốp như bọt biển và hoạt động như một cấu trúc hỗ trợ, cung cấp một khuôn khổ để các tế bào bám vào và phát triển.

Ma trận này có thể nuôi cấy các cụm tế bào hình cầu, được gọi là khối cầu ung thư, trông giống như các khối u thực sự. Do có hình dạng 3D, những “khối u nhỏ” này biểu diễn khối u chính xác hơn so với nuôi cấy tế bào thông thường.

Để chế tạo ma trận, các nhà khoa học đã hòa tan các mảnh nhựa vụn từ bàn phím đã qua sử dụng trong dung môi hữu cơ là acetone và đổ dung dịch vào khuôn.

Ma trận này hỗ trợ sự phát triển của khối cầu ung thư vú, trực tràng và xương. Các khối cầu ung thư có đặc tính tương tự như các khối cầu được nuôi cấy bằng các ma trận thương mại có sẵn và có thể được sử dụng cho các ứng dụng y sinh như thử nghiệm thuốc.

“Sáng kiến ​​của chúng tôi không chỉ cung cấp một phương tiện thiết thực để tái sử dụng nhựa thải điện tử mà còn có thể giảm việc sử dụng nhựa mới trong ngành y sinh”, Phó giáo sư Dalton Tay thuộc Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu của NTU, người đứng đầu nghiên cứu cho biết.

Chuyển đổi rác thải nhựa khó tái chế thành phụ gia hydro và carbon cho bọt polyme

Mặc dù một số loại nhựa có thể được tái sử dụng thành các sản phẩm mới, nhưng việc tái chế các loại nhựa khác không dễ dàng như vậy. Nhựa gia dụng, rác thải bao bì và rác thải nhựa biển thu hồi từ môi trường đều là những ví dụ về rác thải nhựa khó tái chế. Việc xử lý nhựa hỗn hợp và nhựa bị ô nhiễm cũng mang lại lợi ích kinh tế hạn chế.

Các nhà nghiên cứu từ NTU đã khám phá việc sử dụng nhựa khó tái chế làm nguồn vật liệu carbon rắn để ứng dụng trong bọt polyme. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã thu được khí và dầu bằng cách đun nóng các loại rác thải nhựa khác nhau ở nhiệt độ cao (600 độ C) trong điều kiện không có oxy. Sau đó, khí và dầu được đun nóng ở nhiệt độ trên 1000 độ C để phân hủy các phân tử thành cacbon rắn và hydro. Cacbon rắn có thể được thêm vào bọt polyme để tăng độ bền và khả năng chống mài mòn cho các ứng dụng đệm. Bọt chứa cacbon rắn tổng hợp có nguồn gốc từ chất thải nhựa thể hiện các đặc tính tương đương với các vật liệu gia cố thông thường và gốc cacbon khác có trên thị trường.

Đồng thời, hydro được tạo ra có thể được thu thập và sử dụng làm nhiên liệu.

Được công bố trên Tạp chí Vật liệu nguy hiểm vào năm 2024, nghiên cứu này là một cột mốc trong việc tìm ra cách sử dụng chất thải nhựa mà trước đây không thể tái chế. “Chúng tôi đã phát triển một phương pháp khả thi để tái sử dụng nhựa khó tái chế, đây là một khía cạnh quan trọng của nền kinh tế tuần hoàn”, phó giáo sư Grzegorz Lisak thuộc Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường của NTU cho biết.

Một cách sáng suốt để phân hủy nhựa thành các hợp chất có giá trị

Mặc dù nhựa có thể bị phân hủy bằng cách nung nóng chúng ở nhiệt độ cao, nhưng các quá trình như vậy lại tiêu tốn nhiều năng lượng và tạo ra khí nhà kính, góp phần gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu.

Nhằm giải quyết nhu cầu về các phương pháp phân hủy nhựa xanh hơn, các nhà khoa học của NTU đã phát triển một quy trình có thể tái chế hầu hết các loại nhựa thành các hợp chất hóa học hữu ích cho việc lưu trữ năng lượng. Phản ứng này sử dụng điốt phát quang (LED) và chất xúc tác có bán trên thị trường và diễn ra ở nhiệt độ phòng. Nó có thể phân hủy nhiều loại nhựa, bao gồm polypropylene, polyethylene và polystyrene, tất cả đều thường được sử dụng trong bao bì và bị loại bỏ như rác thải nhựa.

So với các phương pháp tái chế nhựa thông thường, quy trình này đòi hỏi ít năng lượng hơn nhiều.

Đầu tiên, nhựa được hòa tan trong dung môi hữu cơ gọi là dichloromethane, giúp các chuỗi polyme nhựa dễ tiếp cận hơn với chất xúc tác quang. Sau đó, dung dịch được trộn với chất xúc tác và chảy qua các ống trong suốt, nơi ánh sáng LED chiếu vào.

Ánh sáng cung cấp năng lượng ban đầu để phá vỡ các liên kết carbon-carbon trong một quy trình gồm hai bước với sự trợ giúp của chất xúc tác vanadi. Các liên kết cacbon-hiđrô của nhựa bị oxy hóa, khiến chúng kém ổn định và phản ứng mạnh hơn. Sau đó, các liên kết cacbon-hiđrô bị phá vỡ.

Các sản phẩm cuối cùng thu được là các hợp chất như axit formic và axit benzoic, có thể được sử dụng để tạo ra các hóa chất khác được sử dụng trong pin nhiên liệu và chất mang hydro hữu cơ dạng lỏng (LOHC) – các hợp chất hữu cơ có thể hấp thụ và giải phóng hydro thông qua các phản ứng hóa học. LOHC đang được ngành năng lượng khám phá như một phương tiện lưu trữ hydro.

Theo Phó giáo sư Han Soo Sen của Khoa Hóa học, Kỹ thuật Hóa học và Công nghệ sinh học của NTU, người đứng đầu nghiên cứu, bước đột phá này không chỉ cung cấp một câu trả lời tiềm năng cho vấn đề rác thải nhựa ngày càng gia tăng mà còn tái sử dụng carbon bị giữ lại trong các loại nhựa này thay vì thải ra khí quyển dưới dạng khí nhà kính thông qua quá trình đốt cháy.