Nghiên Cứu Khả Năng Tự Phân Hủy Của Polyme Phế Thải Trong Sự Có Mặt Của Kim Loại Chuyển Tiếp

• Tác giả: Phạm Thị Thu Trang
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Tùng
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa Hữu Cơ
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Tự Phân Hủy Của Polyme Phế Thải Trong Môi Trường Có Kim Loại Chuyển Tiếp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: Vấn đề nhựa phế thải đối với môi trƣờng
• 1.1. Một số biện pháp quản lý nhựa phế thải
• 1.1.1. Ngăn ngừa và tái sử dụng nhựa phế thải
• 1.1.2. Tái chế

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Về Phân Hủy Polyme Phế Thải

Nghiên cứu về khả năng tự phân hủy của polyme phế thải đang trở nên cấp thiết trong bối cảnh ô nhiễm môi trường gia tăng. Polyme phế thải, đặc biệt là các loại nhựa như PE và PP, tồn tại rất lâu trong môi trường tự nhiên, gây ra nhiều hệ lụy nghiêm trọng. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng kim loại chuyển tiếp như Fe, Mn, Co để xúc tác quá trình phân hủy polyme. Mục tiêu là tìm ra phương pháp hiệu quả để giảm thiểu tác động của polyme phế thải đến môi trường, đồng thời tận dụng nguồn tài nguyên này một cách bền vững. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng chất xúc tác có thể đẩy nhanh quá trình phân hủy, nhưng cần phải tối ưu hóa điều kiện phản ứng và loại kim loại sử dụng để đạt hiệu quả cao nhất. Luận văn này sẽ đi sâu vào cơ chế phân hủy và các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy của polyme phế thải trong môi trường có kim loại chuyển tiếp.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Phân Hủy Polyme

Nghiên cứu phân hủy polyme có ý nghĩa to lớn trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do polyme phế thải gây ra. Theo số liệu của EPA, hàng triệu tấn chất thải nhựa được thải ra mỗi năm, và phần lớn trong số đó không được tái chế. Việc phân hủy các vật liệu polyme này một cách hiệu quả sẽ giúp giảm áp lực lên các bãi chôn lấp và ngăn ngừa tác động môi trường tiêu cực. Hơn nữa, nghiên cứu này có thể mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các vật liệu sinh học và biodegradable polymers thân thiện với môi trường.

1.2. Giới Thiệu Về Kim Loại Chuyển Tiếp Trong Xúc Tác Phân Hủy

Kim loại chuyển tiếp đóng vai trò quan trọng trong quá trình xúc tác phân hủy polyme. Các kim loại như Fe, Mn, Co có khả năng tạo phức với các phân tử polyme, từ đó làm suy yếu liên kết hóa học và thúc đẩy quá trình phân hủy. Cơ chế phản ứng hóa học này có thể diễn ra thông qua nhiều con đường khác nhau, bao gồm quá trình oxy hóa và thủy phân. Việc lựa chọn kim loại chuyển tiếp phù hợp và điều chỉnh điều kiện môi trường có thể tối ưu hóa tốc độ phân hủy và hiệu quả của quá trình.

II. Thách Thức Từ Polyme Phế Thải Giải Pháp Tự Phân Hủy

Vấn đề polyme phế thải là một thách thức lớn đối với môi trường toàn cầu. Sự gia tăng không ngừng của lượng chất thải nhựa, kết hợp với khả năng phân hủy chậm chạp của chúng, đã dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Các biện pháp xử lý chất thải truyền thống như chôn lấp và đốt không còn phù hợp, do gây ra nhiều hệ lụy tiêu cực. Nghiên cứu về khả năng tự phân hủy của polyme phế thải trong môi trường có kim loại chuyển tiếp là một giải pháp tiềm năng để giải quyết vấn đề này. Việc phát triển các vật liệu polyme có khả năng tự phân hủy sẽ giúp giảm thiểu lượng chất thải nhựa tích tụ trong môi trường, đồng thời tạo ra các sản phẩm thân thiện với môi trường hơn.

2.1. Tác Động Của Polyme Phế Thải Đến Môi Trường

Polyme phế thải gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường, bao gồm ô nhiễm đất, nước và không khí. Các mảnh nhựa nhỏ (microplastics) có thể xâm nhập vào chuỗi thức ăn, gây hại cho động vật và con người. Ngoài ra, quá trình sản xuất và xử lý chất thải nhựa cũng tiêu tốn nhiều năng lượng và tài nguyên, góp phần vào biến đổi khí hậu. Việc tìm kiếm các giải pháp xử lý chất thải nhựa hiệu quả là vô cùng quan trọng để bảo vệ môi trường và sức khỏe con người.

2.2. Các Phương Pháp Xử Lý Chất Thải Polyme Hiện Nay

Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý chất thải polyme khác nhau, bao gồm tái chế, đốt và chôn lấp. Tuy nhiên, mỗi phương pháp đều có những hạn chế nhất định. Tái chế đòi hỏi quy trình phức tạp và tốn kém, trong khi đốt có thể gây ra ô nhiễm không khí. Chôn lấp chỉ là giải pháp tạm thời, vì polyme có thể tồn tại trong đất hàng trăm năm. Nghiên cứu về khả năng tự phân hủy của polyme phế thải là một hướng đi mới, hứa hẹn mang lại giải pháp xử lý chất thải hiệu quả và bền vững hơn.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Phân Hủy Polyme Với Kim Loại

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp tiếp cận đa chiều để đánh giá khả năng tự phân hủy của polyme phế thải trong môi trường có kim loại chuyển tiếp. Đầu tiên, các mẫu polyme được chế tạo từ nhựa PE phế thải và các phụ gia xúc tiến oxy hóa chứa kim loại Fe, Mn, Co. Sau đó, các mẫu được đặt trong các điều kiện môi trường khác nhau (ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm) để mô phỏng quá trình lão hóa tự nhiên. Quá trình phân hủy được theo dõi bằng các phương pháp phân tích như FTIR, SEM và xác định chỉ số carbonyl (CI). Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin chi tiết về cơ chế phân hủy, tốc độ phân hủy và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này.

3.1. Quy Trình Chế Tạo Màng Polyme Tự Hủy

Quy trình chế tạo màng polyme tự hủy bao gồm các bước lựa chọn nhựa nền, phụ gia xúc tiến oxy hóa và tinh bột. Tỷ lệ các thành phần này được tối ưu hóa để đạt được tính chất cơ lý tốt và khả năng phân hủy cao. Màng polyme được tạo ra bằng phương pháp ép đùn hoặc cán màng, sau đó được cắt thành các mẫu có kích thước khác nhau để phục vụ cho các thí nghiệm phân hủy.

3.2. Các Phương Pháp Phân Tích Đánh Giá Quá Trình Phân Hủy

Quá trình phân hủy của màng polyme được đánh giá bằng nhiều phương pháp phân tích khác nhau. Phổ hồng ngoại (FTIR) được sử dụng để xác định sự thay đổi về cấu trúc hóa học của polyme trong quá trình phân hủy. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để quan sát hình thái bề mặt của màng polyme và đánh giá mức độ hư hỏng. Chỉ số carbonyl (CI) được sử dụng để định lượng mức độ oxy hóa của polyme.

3.3. Nghiên Cứu Quá Trình Lão Hóa Tự Nhiên Của Polyme

Quá trình lão hóa tự nhiên của polyme được nghiên cứu bằng cách đặt các mẫu màng trong các điều kiện môi trường khác nhau, bao gồm ánh sáng mặt trời, nhiệt độ và độ ẩm. Các mẫu được theo dõi trong một khoảng thời gian nhất định, và các chỉ số như độ bền kéo, độ dãn dài và chỉ số carbonyl được đo định kỳ để đánh giá mức độ phân hủy.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Khả Năng Tự Phân Hủy Của Màng Polyme

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng kim loại chuyển tiếp như Fe, Mn, Co có thể thúc đẩy quá trình phân hủy của polyme phế thải. Tốc độ phân hủy phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại kim loại, nồng độ kim loại, điều kiện môi trường và thành phần của polyme. Màng polyme chứa kim loại Fe cho thấy khả năng phân hủy tốt nhất trong điều kiện ánh sáng và nhiệt độ cao. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc bổ sung tinh bột vào màng polyme có thể tăng cường khả năng phân hủy sinh học.

4.1. Ảnh Hưởng Của Kim Loại Chuyển Tiếp Đến Tốc Độ Phân Hủy

Nghiên cứu cho thấy rằng kim loại chuyển tiếp có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ phân hủy của polyme phế thải. Các kim loại như Fe, Mn, Co có khả năng xúc tác quá trình oxy hóa và thủy phân, từ đó làm suy yếu liên kết hóa học của polyme và thúc đẩy quá trình phân hủy. Tuy nhiên, hiệu quả của từng kim loại có thể khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện môi trường và thành phần của polyme.

4.2. Cơ Chế Phân Hủy Của Màng Polyme Xúc Tác Bởi Kim Loại

Cơ chế phân hủy của màng polyme xúc tác bởi kim loại bao gồm nhiều giai đoạn. Đầu tiên, kim loại tạo phức với các phân tử polyme, làm suy yếu liên kết hóa học. Sau đó, quá trình oxy hóa và thủy phân diễn ra, phá vỡ mạch polyme thành các phân tử nhỏ hơn. Cuối cùng, các phân tử nhỏ này có thể bị phân hủy sinh học bởi vi sinh vật trong môi trường.

4.3. So Sánh Khả Năng Phân Hủy Của Các Loại Polyme Khác Nhau

Nghiên cứu so sánh khả năng phân hủy của các loại polyme khác nhau, bao gồm PE, PP và PVC. Kết quả cho thấy rằng PE có khả năng phân hủy tốt hơn so với PP và PVC trong điều kiện có kim loại chuyển tiếp. Điều này có thể là do cấu trúc hóa học của PE dễ bị oxy hóa hơn so với các loại polyme khác.

V. Ứng Dụng Thực Tế Của Polyme Tự Phân Hủy Trong Nông Nghiệp

Màng polyme tự phân hủy có nhiều ứng dụng tiềm năng trong nông nghiệp, đặc biệt là trong việc sản xuất bầu ươm cây. Bầu ươm cây làm từ polyme tự phân hủy có thể tự phân hủy trong đất sau khi cây được trồng, giúp giảm thiểu chất thải nhựa và cải thiện chất lượng đất. Nghiên cứu này đã thử nghiệm ứng dụng của bầu ươm cây tự hủy cho một số loài cây như thông, keo và bạch đàn. Kết quả cho thấy rằng bầu ươm cây tự hủy không ảnh hưởng đến sự phát triển của cây và có thể phân hủy hoàn toàn trong vòng vài tháng.

5.1. Ưu Điểm Của Bầu Ươm Cây Tự Phân Hủy

Bầu ươm cây tự phân hủy có nhiều ưu điểm so với bầu ươm cây truyền thống. Chúng giúp giảm thiểu chất thải nhựa, cải thiện chất lượng đất và giảm công sức cho người nông dân. Ngoài ra, bầu ươm cây tự phân hủy có thể giúp cây phát triển tốt hơn, vì rễ cây có thể dễ dàng xuyên qua thành bầu và tiếp cận với đất.

5.2. Thử Nghiệm Ứng Dụng Bầu Ươm Cây Cho Các Loài Cây

Nghiên cứu đã thử nghiệm ứng dụng của bầu ươm cây tự phân hủy cho một số loài cây như thông, keo và bạch đàn. Kết quả cho thấy rằng bầu ươm cây tự phân hủy không ảnh hưởng đến sự phát triển của cây và có thể phân hủy hoàn toàn trong vòng vài tháng. Tỷ lệ sống của cây trồng trong bầu ươm tự phân hủy tương đương với cây trồng trong bầu ươm truyền thống.

5.3. Đánh Giá Quá Trình Phân Hủy Của Bầu Ươm Cây Trong Đất

Quá trình phân hủy của bầu ươm cây trong đất được đánh giá bằng cách theo dõi sự thay đổi về khối lượng và hình dạng của bầu ươm theo thời gian. Kết quả cho thấy rằng bầu ươm cây phân hủy nhanh chóng trong điều kiện ẩm ướt và có nhiều vi sinh vật. Sau vài tháng, bầu ươm cây phân hủy hoàn toàn thành các chất hữu cơ, giúp cải thiện chất lượng đất.

VI. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Polyme Tự Hủy

Nghiên cứu này đã chứng minh rằng việc sử dụng kim loại chuyển tiếp có thể thúc đẩy quá trình phân hủy của polyme phế thải. Màng polyme tự phân hủy có nhiều ứng dụng tiềm năng trong nông nghiệp và các lĩnh vực khác. Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu để tối ưu hóa thành phần và quy trình sản xuất màng polyme tự phân hủy, cũng như đánh giá tác động của chúng đến môi trường và sức khỏe con người. Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu là tập trung vào việc phát triển các vật liệu polyme có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn và không gây ra bất kỳ tác động tiêu cực nào đến môi trường.

6.1. Tổng Kết Kết Quả Nghiên Cứu Về Phân Hủy Polyme

Nghiên cứu đã thành công trong việc chứng minh khả năng tự phân hủy của polyme phế thải trong môi trường có kim loại chuyển tiếp. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển các giải pháp xử lý chất thải nhựa hiệu quả và bền vững hơn. Màng polyme tự phân hủy có nhiều ứng dụng tiềm năng trong nông nghiệp và các lĩnh vực khác.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Vật Liệu Polyme Sinh Học

Hướng nghiên cứu tiếp theo là tập trung vào việc phát triển các vật liệu polyme sinh học có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn và không gây ra bất kỳ tác động tiêu cực nào đến môi trường. Các nghiên cứu sẽ tập trung vào việc sử dụng các nguồn nguyên liệu tái tạo và các phương pháp sản xuất thân thiện với môi trường.

6.3. Đề Xuất Các Giải Pháp Quản Lý Chất Thải Polyme Bền Vững

Để giải quyết vấn đề chất thải polyme một cách bền vững, cần có sự phối hợp giữa các nhà khoa học, nhà sản xuất, chính phủ và người tiêu dùng. Các giải pháp cần được triển khai bao gồm việc giảm thiểu sử dụng nhựa, tăng cường tái chế, phát triển các vật liệu polyme thân thiện với môi trường và nâng cao nhận thức của cộng đồng về vấn đề ô nhiễm nhựa.

Tổng quan nghiên cứu

Sản lượng nhựa toàn cầu đã tăng mạnh từ 1,5 triệu tấn năm 1950 lên khoảng 245 triệu tấn năm 2008, với tốc độ tăng bình quân 3,5% mỗi năm. Dự kiến đến năm 2050, sản lượng nhựa có thể đạt 400 triệu tấn, trong đó poliolefin như polietilen (PE) chiếm tỷ trọng lớn. Tuy nhiên, nhựa phế thải, đặc biệt là bao bì PE, gây áp lực lớn lên môi trường do khả năng phân hủy rất chậm, có thể kéo dài hàng trăm năm. Tại châu Âu, năm 2008, phát sinh nhựa thải đạt 24,9 triệu tấn, trong đó bao bì chiếm 62%. Việc xử lý nhựa phế thải hiện nay chủ yếu dựa vào chôn lấp, đốt và tái chế, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế về hiệu quả và tác động môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu khả năng tự phân hủy của polyme phế thải, đặc biệt là màng PE phế thải, trong sự có mặt của các kim loại chuyển tiếp Fe, Mn, Co nhằm thúc đẩy quá trình phân hủy oxi hóa và sinh học. Mục tiêu cụ thể gồm: chế tạo màng polime tự hủy từ nhựa PE phế thải và phụ gia xúc tiến oxi hóa; nghiên cứu quá trình phân hủy của màng trong môi trường tự nhiên; ứng dụng bầu ươm cây tự hủy cho một số loài cây. Nghiên cứu được thực hiện tại Hà Nội trong giai đoạn 2015-2016, góp phần giảm thiểu ô nhiễm nhựa phế thải và phát triển vật liệu thân thiện môi trường, đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng trong nông nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết oxo-biodegradation, trong đó quá trình phân hủy polyolefin diễn ra qua hai giai đoạn chính: (1) phân hủy oxi hóa phi sinh học (abiotic oxidation) dưới tác động của ánh sáng UV và nhiệt, làm giảm khối lượng phân tử polyme và tạo ra các nhóm chức ưa nước như cacbonyl, carboxyl; (2) phân hủy sinh học bởi vi sinh vật sử dụng các sản phẩm oxi hóa thấp phân tử làm nguồn cacbon. Cơ chế phân hủy oxi hóa quang nhiệt được mô tả qua phản ứng tạo gốc tự do và cắt mạch polime theo cơ chế Norrish. Các phụ gia xúc tiến oxi hóa (Fe(III), Mn(II), Co(II) stearat) đóng vai trò xúc tác quá trình oxi hóa, tăng tốc độ cắt mạch và chuyển đổi bề mặt vật liệu từ kị nước sang ưa nước, tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật tấn công.

Các khái niệm chính bao gồm: chỉ số cacbonyl (CI) dùng để đánh giá mức độ oxi hóa; tính chất cơ lý (độ bền kéo đứt, độ dãn dài khi đứt) phản ánh sự suy giảm cơ học do phân hủy; phổ hồng ngoại FTIR xác định nhóm chức mới hình thành; hình thái học bề mặt bằng SEM đánh giá sự thay đổi cấu trúc vật liệu. Ngoài ra, khái niệm về phân hủy sinh học oxo (oxo-biodegradation) và vai trò của các kim loại chuyển tiếp trong xúc tiến oxi hóa là nền tảng lý thuyết quan trọng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu màng polietilen phế thải phối trộn với LDPE và tinh bột, bổ sung phụ gia xúc tiến oxi hóa Fe(III), Mn(II), Co(II) stearat với hàm lượng và tỷ lệ khác nhau. Mẫu được tạo thành dạng tấm và màng bằng phương pháp trộn nóng và đùn thổi. Cỡ mẫu khoảng 5-10 mẫu cho mỗi công thức để đảm bảo độ tin cậy.

Phân tích tính chất cơ lý theo tiêu chuẩn ASTM D638 và ASTM D882 trên thiết bị Instron 5980, đo độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt. Phổ FTIR được ghi nhận trên thiết bị Nicolet 410 để xác định nhóm cacbonyl và các nhóm chức khác. Chỉ số cacbonyl (CI) được tính theo tỷ lệ hấp thụ tại 1715 cm⁻¹ và 2820 cm⁻¹. Hình thái học bề mặt được khảo sát bằng kính hiển vi điện tử quét SEM Hitachi S4800.

Quá trình phân hủy oxi hóa quang nhiệt ẩm được gia tốc trong tủ UVCON theo tiêu chuẩn ASTM G154-12a, với chu kỳ chiếu UV 20 giờ và ngưng 4 giờ, nhiệt độ 50°C, độ ẩm 55%. Thời gian thử nghiệm kéo dài đến 288 giờ, tương đương khoảng 2,5-4,5 năm ngoài môi trường tự nhiên. Quá trình phân hủy sinh học được khảo sát trong môi trường đất và nước tự nhiên tại Hà Nội, với mẫu được chôn lấp sâu 30 cm hoặc ngâm trong nước cất, lấy mẫu định kỳ mỗi tháng để đánh giá sự thay đổi khối lượng và cấu trúc bề mặt.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn tạo mẫu, thử nghiệm oxi hóa gia tốc, phân tích tính chất cơ lý và hóa học, thử nghiệm phân hủy sinh học trong môi trường tự nhiên, và ứng dụng bầu ươm cây tự hủy với ba loài cây thông, keo, bạch đàn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Lựa chọn công thức nhựa nền: Tính chất cơ lý giảm khi tăng hàm lượng PE phế thải. Với tỷ lệ PE phế thải/LDPE = 60/40 (ký hiệu LP3), độ bền kéo đứt đạt 20,92 MPa và độ dãn dài khi đứt 727,22%, phù hợp cho sản phẩm tự hủy. Ảnh SEM cho thấy sự phân bố đồng đều, không vón cục như các tỷ lệ cao hơn.

2. Ảnh hưởng hàm lượng tinh bột: Khi tăng hàm lượng tinh bột từ 3% đến 9%, độ bền kéo đứt giảm nhẹ từ 19,87 MPa xuống 17,91 MPa, độ dãn dài khi đứt giảm từ 703,18% xuống 670,36%. Tổ hợp chứa 7% tinh bột (LPT7) được chọn làm công thức tối ưu, cân bằng giữa tính cơ lý và khả năng phân hủy.

3. Ảnh hưởng phụ gia xúc tiến oxi hóa: Các phụ gia Fe(III), Mn(II), Co(II) stearat đều xúc tiến quá trình phân hủy oxi hóa quang nhiệt. Trong đó, Co(II) stearat có hiệu quả xúc tiến oxi hóa nhiệt cao nhất, làm giảm độ bền kéo đứt và tăng chỉ số cacbonyl nhanh hơn so với Fe(III) và Mn(II). Tỷ lệ phối hợp Co(II)/Fe(III) stearat 3/1 cho kết quả phân hủy tốt nhất, với độ dãn dài khi đứt giảm xuống dưới 5% sau 288 giờ thử nghiệm.

4. Phân hủy trong môi trường tự nhiên: Màng polime tự hủy sau khi lão hóa giảm cấp có khả năng phân hủy sinh học trong đất và nước. Sau 6 tháng chôn lấp, khối lượng mẫu giảm khoảng 19%, trong khi ngâm nước giảm khoảng 12%. Ảnh SEM cho thấy bề mặt mẫu bị ăn mòn, xuất hiện các vết nứt và lỗ rỗng, chứng tỏ vi sinh vật đã tấn công vật liệu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc phối trộn PE phế thải với LDPE và tinh bột cùng phụ gia xúc tiến oxi hóa tạo ra vật liệu có tính cơ lý phù hợp và khả năng phân hủy oxi hóa sinh học hiệu quả. Sự gia tăng hàm lượng PE phế thải làm giảm tính cơ học do chất lượng nhựa phế thải thấp hơn và có thể chứa tạp chất. Tinh bột giúp tăng tính ưa nước, tạo điều kiện cho vi sinh vật tấn công, nhưng hàm lượng quá cao làm giảm độ bền cơ học do tính giòn của tinh bột.

Phụ gia xúc tiến oxi hóa kim loại chuyển tiếp đóng vai trò then chốt trong việc xúc tiến quá trình phân hủy oxi hóa, làm giảm khối lượng phân tử và tạo nhóm chức ưa nước. So với các nghiên cứu trước, kết quả phù hợp với báo cáo của các nhà khoa học về vai trò của Co(II) stearat trong xúc tiến oxi hóa nhiệt và quang. Quá trình phân hủy trong môi trường tự nhiên diễn ra chậm hơn so với thử nghiệm gia tốc do điều kiện môi trường phức tạp, nhưng vẫn đạt mức độ phân hủy đáng kể sau 6 tháng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự giảm độ bền kéo đứt và tăng chỉ số cacbonyl theo thời gian thử nghiệm, bảng so sánh tỷ lệ giảm khối lượng trong đất và nước, cùng ảnh SEM minh họa sự thay đổi bề mặt mẫu trước và sau phân hủy.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển sản phẩm màng polime tự hủy: Khuyến khích sử dụng công thức phối trộn PE phế thải/LDPE = 60/40, tinh bột 7%, phụ gia xúc tiến oxi hóa Co(II)/Fe(III) stearat tỷ lệ 3/1 để sản xuất màng phủ bồi và bầu ươm cây tự hủy, nhằm giảm thiểu ô nhiễm nhựa phế thải. Thời gian triển khai: 12-18 tháng. Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp sản xuất vật liệu polyme và viện nghiên cứu.

2. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong nông nghiệp: Thử nghiệm và đánh giá hiệu quả màng tự hủy trên các loại cây trồng khác nhau, đặc biệt trong điều kiện khí hậu Việt Nam, nhằm tăng năng suất và giảm chi phí tưới tiêu. Thời gian: 2 năm. Chủ thể: viện nghiên cứu nông nghiệp, các trung tâm ứng dụng công nghệ.

3. Xây dựng quy trình thu gom và tái chế nhựa phế thải: Tăng cường hệ thống thu gom nhựa phế thải, đặc biệt bao bì PE, để làm nguyên liệu đầu vào cho sản xuất vật liệu tự hủy, giảm lượng nhựa thải ra môi trường. Thời gian: 1-2 năm. Chủ thể: chính quyền địa phương, doanh nghiệp tái chế.

4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình tuyên truyền về lợi ích của vật liệu tự phân hủy và cách xử lý nhựa phế thải đúng cách, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian: liên tục. Chủ thể: các tổ chức môi trường, trường học, cơ quan truyền thông.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu polyme: Có thể áp dụng công thức và quy trình chế tạo màng tự hủy để phát triển sản phẩm thân thiện môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm và đáp ứng yêu cầu thị trường.

2. Viện nghiên cứu và trường đại học: Sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở khoa học cho các đề tài tiếp theo về vật liệu phân hủy sinh học, xúc tiến oxi hóa và ứng dụng trong nông nghiệp.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách: Tham khảo để xây dựng chính sách quản lý nhựa phế thải, thúc đẩy phát triển vật liệu tự phân hủy và giảm thiểu ô nhiễm nhựa.

4. Người làm nông nghiệp và doanh nghiệp trồng rừng: Áp dụng bầu ươm cây tự hủy và màng phủ bồi để tăng năng suất, giảm chi phí và bảo vệ môi trường đất trồng.

Câu hỏi thường gặp

1. Phụ gia xúc tiến oxi hóa có an toàn cho môi trường không?
   Phụ gia như Fe(III), Mn(II), Co(II) stearat được sử dụng với hàm lượng thấp, không chứa clo hữu cơ và không phát thải khí độc hại. Quá trình phân hủy tạo ra sản phẩm không độc hại, phù hợp tiêu chuẩn ASTM D6954-04 và EN 13432.

2. Thời gian phân hủy của màng polime tự hủy là bao lâu?
   Trong điều kiện gia tốc UV và nhiệt độ 50°C, màng phân hủy giảm cấp trong khoảng 288 giờ (tương đương 2,5-4,5 năm ngoài môi trường). Trong đất tự nhiên, quá trình phân hủy sinh học có thể kéo dài 6 tháng đến 1 năm tùy điều kiện môi trường.

3. Có thể tái chế màng polime tự hủy không?
   Có thể tái chế được, tuy nhiên do phụ gia xúc tiến oxi hóa làm giảm khối lượng phân tử và tính chất cơ học, nên vật liệu tái chế có phẩm cấp thấp hơn. Việc tái chế cần được kiểm soát để đảm bảo chất lượng sản phẩm mới.

4. Ứng dụng của bầu ươm cây tự hủy trong thực tế ra sao?
   Bầu ươm tự hủy giúp giảm công bóc vỏ bầu khi trồng, tăng tỷ lệ sống và phát triển cây. Sau 3-6 tháng, bầu phân hủy sinh học trong đất, không gây ô nhiễm và cải thiện cấu trúc đất.

5. Phân hủy oxi hóa và phân hủy sinh học khác nhau thế nào?
   Phân hủy oxi hóa là giai đoạn đầu, cắt mạch polime thành các mảnh nhỏ hơn dưới tác động của ánh sáng và nhiệt. Phân hủy sinh học là giai đoạn sau, vi sinh vật sử dụng các sản phẩm oxi hóa thấp phân tử làm nguồn cacbon để phân hủy hoàn toàn thành CO₂ và H₂O.

Kết luận

• Đã phát triển thành công màng polime tự hủy từ nhựa PE phế thải phối trộn với LDPE, tinh bột và phụ gia xúc tiến oxi hóa Fe, Mn, Co.
• Công thức tối ưu gồm PE phế thải/LDPE = 60/40, tinh bột 7%, phụ gia Co(II)/Fe(III) stearat tỷ lệ 3/1, đảm bảo tính cơ lý và khả năng phân hủy.
• Quá trình phân hủy oxi hóa quang nhiệt và sinh học được gia tốc nhờ phụ gia kim loại chuyển tiếp, giảm độ bền kéo đứt và tăng chỉ số cacbonyl rõ rệt.
• Màng tự hủy có khả năng phân hủy sinh học trong đất và nước tự nhiên, ứng dụng hiệu quả trong bầu ươm cây và màng phủ bồi nông nghiệp.
• Đề xuất triển khai sản xuất, ứng dụng và nâng cao nhận thức cộng đồng nhằm giảm thiểu ô nhiễm nhựa phế thải, hướng tới phát triển bền vững.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp phối hợp triển khai sản xuất thử nghiệm, mở rộng ứng dụng trong nông nghiệp và xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển vật liệu tự phân hủy.