CHẤT DẺO SINH HỌC CÓ THỂ PHÂN HỦY

1. Thực trạng rác thải khi sử dụng các sản phẩm từ chất dẻo

Phế thải từ các loại túi làm từ chất dẻo. 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.

2. Những hạn chế của chất dẻo PLA

Hiện nay, khoảng 5% nguyên liệu trong ngành sản xuất hóa chất Mỹ là các loại nguyên liệu có thể tái sinh. Một số 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  với những mục tiêu lớn hơn.

Chất dẻo tổng hợp thân thiện 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, bé 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.

3. Xu hướng nghiên cứu các chất dẻo sinh học mới

Dạng polyme phong phú nhất trên thế giới, đó là xenluloza. Một số nhóm nghiên cứu ở Mỹ đang tìm cách để phát triển các sản phẩm polyme sinh học kiểu mới. 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 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).

4. 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.

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