Kỉ nguyên của 'bánh mì làm từ nhựa' sắp đến gần?

Nhựa được ứng dụng trong hầu hết mọi khía cạnh của cuộc sống con người. Tuy nhiên, sự gia tăng của các polyme tổng hợp, vốn là cơ sở của chất dẻo, đã góp phần gây ra nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng. Điều tồi tệ nhất trong số này là việc sử dụng quá nhiều các hợp chất hóa dầu và thải bỏ các vật liệu không thể phân hủy sinh học mà không tái chế. Trong khi đó chỉ 14% tổng số rác thải nhựa được tái chế.

Để giải quyết cuộc khủng hoảng toàn cầu về nhựa đòi hỏi các hệ thống tuần hoàn, trong đó các nguyên liệu gốc được sử dụng để sản xuất nhựa sẽ có vòng tròn đầy đủ sau khi thải bỏ và tái chế. Tại Học viện Công nghệ Tokyo, một nhóm các nhà khoa học do trợ lý giáo sư Daisuke Aoki và giáo sư Hideyuki Otsuka dẫn đầu đang mở ra hướng đi tiên phong cho một giải pháp mới lạ.

Trong quy trình mới thân thiện với môi trường hơn, nhựa được sản xuất bằng cách sử dụng sinh khối (nhựa sinh học) được tái chế hóa học trở lại thành phân bón. Nghiên cứu này sẽ được công bố trên Green Chemistry, một tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoàng gia tập trung vào nghiên cứu sáng tạo về các công nghệ bền vững và thân thiện với môi trường.

Nhựa sinh học trở thành một lựa chọn hấp dẫn hơn nhiều để giải quyết các vấn đề môi trường do nhựa làm từ dầu mỏ thông thường đặt ra. (Ảnh: Daisuke Aoki)

Nhóm nghiên cứu tập trung vào poly (isosorbide carbonate), hay PIC, một loại polycarbonate sinh học đã thu hút được nhiều sự chú ý như một chất thay thế cho polycarbonate gốc dầu mỏ. PIC được sản xuất bằng cách sử dụng một vật liệu không độc hại có nguồn gốc từ glucose được gọi là isosorbide (ISB). Điều thú vị là các liên kết cacbonat tham gia vào các đơn vị ISB có thể bị cắt đứt bằng cách sử dụng amoniac (NH3 ) trong một quá trình được gọi là quá trình phân giải ammonolysis. Quá trình này tạo ra ure, một phân tử giàu nitơ được sử dụng rộng rãi làm phân bón.

Đầu tiên, các nhà khoa học đã nghiên cứu xem quá trình phân giải hoàn toàn PIC có thể được tiến hành như thế nào trong nước ở điều kiện ôn hòa (30 độ C và áp suất khí quyển). Lý do đằng sau quyết định này là tránh sử dụng dung môi hữu cơ và quá nhiều năng lượng. Nhóm nghiên cứu đã phân tích cẩn thận tất cả các sản phẩm phản ứng thông qua nhiều phương tiện khác nhau, bao gồm cả quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân, quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier và sắc ký thấm gel.

Mặc dù họ đã quản lý để sản xuất ure theo phương pháp mới này, song sự phân hủy của PIC không hoàn toàn ngay sau 24 giờ, với nhiều dẫn xuất ISB vẫn còn tồn tại. Do đó, các nhà nghiên cứu đã thử tăng nhiệt độ và nhận thấy rằng sự suy thoái hoàn toàn có thể đạt được trong khoảng 6 giờ ở 90 độ C. Nhấn mạnh về những lợi ích của phương pháp này, tiến sĩ Aoki cho biết: "Phản ứng xảy ra mà không cần bất kỳ chất xúc tác nào, chứng tỏ rằng quá trình phân giải PIC có thể dễ dàng thực hiện bằng cách sử dụng amoniac dạng nước và đun nóng. Do đó, quy trình này hoạt động đơn giản và thân thiện với môi trường từ quan điểm tái chế hóa học”.

Theo đó, để chứng minh rằng tất cả các sản phẩm phân hủy PIC đều có thể được sử dụng trực tiếp làm phân bón, nhóm đã tiến hành các thí nghiệm tăng trưởng thực vật với Arabidopsis thaliana, một sinh vật mẫu. Họ phát hiện ra rằng những cây được xử lý bằng tất cả các sản phẩm phân hủy PIC phát triển tốt hơn so với những cây chỉ được xử lý bằng ure.

Kết quả tổng thể của nghiên cứu này cho thấy tính khả thi của việc phát triển hệ thống phân bón từ nhựa. Các hệ thống này không chỉ giúp hạn chế ô nhiễm và cạn kiệt nguồn tài nguyên mà còn góp phần đáp ứng nhu cầu lương thực ngày càng tăng của thế giới.

Tiến sĩ Aoki kết luận trên một lưu ý cao, "Chúng tôi tin rằng công trình của chúng tôi đại diện cho một cột mốc quan trọng đối với việc phát triển các vật liệu polyme bền vững và có thể tái chế trong tương lai gần. Kỉ nguyên của 'bánh mì làm từ nhựa' sắp đến gần".

Lan Anh (T/h)