Tận dụng khí nhà kính để sản xuất polyme sinh học

Trong tương lai, khí CO2 có thể trưng dụng để chế tạo vật liệu polyme sinh học tái tạo quy mô lớn.

Chúng ta đều biết rằng, CO2 là loại khí nhà kính phổ biến nhất trong bầu khí quyển hiện nay. CO2 được tạo ra thông qua quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch, chất thải rắn, gỗ và nhiều hoạt động công nghiệp khác.

Lượng CO2 trong khí quyển quá lớn đã gây nên tình trạng Trái Đất nóng lên. Tuy nhiên, cũng chính bởi lượng CO2 dồi dào đó đã khiến nó trở thành một nguồn nhiên liệu rẻ tiền và vô cùng dễ kiếm.

Khí CO2 đã được nghiên cứu để tổng hợp vật liệu nhưng chỉ có một số ít thành công do việc phá vỡ các liên kết giữa carbon và oxy vô cùng khó khăn. Các phương pháp hiện nay đòi hỏi phản ứng năng lượng cao, đồng thời tồn tại hạn chế phản ứng với khối lượng thấp.

Mới đây, một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Standford, Mỹ đã công bố một hướng đi mới hứa hẹn sẽ giúp sản xuất nguyên liệu sinh học quy mô lớn từ CO2. Nguyên liệu đặc biệt này có thể sử dụng để tổng hợp polyme tái tạo, thay thế những loại polyme được sản xuất từ nhiên liệu hóa thạch như;polyethylene terephthalate (PET) hay còn gọi là nhựa nhiệt dẻo, thường dùng để tổng hợp xơ sợi nhân tạo.

Ước tính có khoảng 50 triệu tấn nhựa PET được sản xuất mỗi năm. Loại nguyên liệu này được tìm thấy trong tất cả mọi sản phẩm công nghiệp từ bao bì thực phẩm tới cell pin năng lượng mặt trời và quần áo.

Hiện nhóm nghiên cứu đang tập trung sản xuất loại polyme tương tự có tên polyethylene furandicarboxylate (PEF). PEF được khẳng định có tính chất vật lý vượt trội hơn so với polyethylene terephthalate (PET).

Theo các nghiên cứu gần đây, các nhà khoa học ước tính việc sản xuất nhựa PEF sử dụng đường fructose tự nhiên chỉ phát thải lượng CO2 bằng 1/2 so với quá trình sản xuất nhựa PET. Tuy nhiên để xây dựng quy trình sản xuất nhựa PEF quy mô lớn, chúng ta cần có nguồn nguyên liệu đầu vào giá rẻ và dồi dào. Sinh khối Lignocellulose từ thực vật là lựa chọn tối ưu cho vấn đề này.

Theo Arstechnica, PEF được tổng hợp bằng cách trùng hợp một chất hóa học có tên FDCA (axit furan-2,5-dicarboxylic). Có hai phương pháp chính để sản xuất loại vật liệu này nhưng cả hai đều có những hạn chế nhất định. Đó là công nghệ lạc hậu và tiêu tốn nhiều năng lượng.

Nhóm nghiên cứu đã tìm ra một hướng đi khác bằng cách tạo ra một dạng chất FDCA có nguồn gốc từ lignocellulose để chế tạo nhựa PEF.

Muối nóng cháy đóng vai trò xúc tác cho toàn bộ quá trình

Quá trình chuyển đổi hóa học cần tới các ion carbonate (CO32-) giúp thúc đẩy phản ứng tách carbon-hydro (C-H). Những phản ứng này thường rất khó thành công nếu môi trường axit yếu. Tuy nhiên các nhà khoa học đã chứng minh rằng, các ion carbonate có thể dễ dàng phản ứng nếu có muối nóng chảy và ion kiềm nồng độ cao (kali hoặc xêsi). Những ion kiềm này có thể giúp cân bằng lượng sản phẩm tạo ra thông qua quá trình ghép nối các ion.

Đặc biệt, nhóm nghiên cứu đã tiến hành một loạt phản ứng hóa học và phát hiện thấy, các ion xêsi hoặc ion kali xuất hiện nhiều hơn ở điều kiện nhiệt độ 200-350 độ C khi có sự xuất hiện của khí CO2.

Tất cả phản ứng có hiệu suất vượt trên 70% và một trong số thử nghiệm có nồng độ CO2 lên tới 100 mmol. Khi khối lượng càng tăng, phản ứng sẽ chậm dần và hiệu suất càng giảm. Các nhà khoa học cho rằng, phản ứng xảy ra tại mặt phân cách giữa lớp muối nóng chảy với CO2, tỷ lệ gữa diện tích bề mặt và khối lượng đã làm giảm hiệu suất phản ứng khi khối lượng tăng.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu hy vọng có thể cải tiến hiệu suất trên quy mô lớn. Họ mong muốn tạo ra các lò phản ứng với khả năng phân tách muối một cách hiệu quả hơn.

Nghiên cứu trên của các nhà khoa học đã mở ra một hướng đi "tận dụng" CO2 hoàn toàn mới. Giờ đây, con người có thể tạo ra các liên kết C-C mà không cần tới chất xúc tác sinh học. Nếu được ứng dụng trên quy mô lớn, CO2 có thể trở thành một nguồn nguyên liệu giá rẻ vô cùng tuyệt vời, dồi dào và dễ kiếm.

Mai Huyền