I. Tổng quan nghiên cứu xúc tác oxide kẽm và mangan depolymer hóa PET
Ô nhiễm rác thải nhựa PET đang đe dọa nghiêm trọng hệ sinh thái toàn cầu. Phương pháp tái chế cơ học truyền thống làm giảm cấp độ phân tử vật liệu. Do đó, phương pháp tái chế hóa học thông qua phản ứng depolymer hóa nhận được nhiều sự quan tâm. Nghiên cứu xúc tác oxide kẽm và mangan depolymer hóa PET tại ĐH SPKT TP.HCM mang lại giải pháp đột phá. Đề tài tập trung điều chế xúc tác dị thể lưỡng kim loại trên chất mang silica. Quá trình depolymer hóa được tiến hành thông qua phản ứng phân hủy dung môi glycolysis với ethylene glycol. Hệ xúc tác Zn-Mn/SiO2 giúp hạ thấp năng lượng hoạt hóa và thúc đẩy tốc độ phản ứng. Sản phẩm chính thu được là monomer bis(2-hydroxyethyl) terephthalate với độ tinh khiết cao. Công trình này được thực hiện bài bản tại Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm thuộc ĐH SPKT TP.HCM. Các nhà khoa học đã tiến hành đánh giá chi tiết cấu trúc mạng tinh thể và hoạt tính bề mặt. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi bền vững cho ngành công nghiệp xử lý rác thải nhựa.
1.1. Bối cảnh nghiên cứu depolymer hóa nhựa PET tại ĐH SPKT TP.HCM
Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn tiên phong trong các đề tài nghiên cứu tái chế vật liệu xanh. Nhựa polyethylene terephthalate được sử dụng rộng rãi trong bao bì chai lọ và dệt may. Tuy nhiên, liên kết ester bền vững khiến loại nhựa này khó phân hủy sinh học tự nhiên. Việc chôn lấp hoặc đốt chất thải PET gây ô nhiễm môi trường đất và phát thải khí nhà kính. Tái chế hóa học bằng glycolysis là giải pháp bền vững nhất hiện nay. Phản ứng này chuyển đổi chuỗi polymer dài thành các phân tử monomer tiền chất ban đầu. Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm tại HCMUTE đã đầu tư nghiên cứu sâu về động học phản ứng. Đề tài hướng tới mục tiêu làm chủ công nghệ thu hồi nguyên liệu tinh khiết cho sản xuất vật liệu mới.
1.2. Vai trò của xúc tác oxide kẽm và mangan trên chất mang silica
Phản ứng glycolysis nếu không có chất xúc tác đòi hỏi thời gian kéo dài và tiêu tốn nhiều nhiệt năng. Việc sử dụng xúc tác oxide kim loại chuyển tiếp giúp tăng tốc độ phản ứng đáng kể. Sự kết hợp giữa oxide kẽm và oxide mangan tạo ra tâm axit-bazơ Lewis hoạt tính cao. Các ion kim loại này hỗ trợ phối trí với nhóm carbonyl trong liên kết ester của PET. Chất mang silica vô định hình đóng vai trò phân tán đều các pha oxide kim loại. Cấu trúc mao quản của silica làm tăng diện tích tiếp xúc giữa tác nhân phản ứng và tâm xúc tác. Xúc tác dị thể Zn-Mn/SiO2 dễ dàng tách ra khỏi dung dịch sau phản ứng bằng phương pháp lọc đơn giản. Vật liệu này có khả năng tái sử dụng nhiều lần, giảm thiểu chi phí sản xuất công nghiệp.
II. Thách thức depolymer hóa PET khi thiếu xúc tác oxide kẽm và mangan
Quá trình depolymer hóa PET bằng phản ứng glycolysis đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Phản ứng đồng thể thông thường sử dụng muối acetate kim loại như kẽm acetate hoặc chì acetate. Các muối này hòa tan hoàn toàn vào hỗn hợp phản ứng sau quá trình phân cắt mạch. Việc tách xúc tác đồng thể ra khỏi sản phẩm BHET đòi hỏi quy trình phức tạp và tốn kém. Lượng kim loại dư thừa trong monomer gây ngộ độc chất xúc tác ở chu trình polymer hóa tiếp theo. Nước thải sau xử lý chứa hàm lượng ion kim loại nặng cao gây nguy cơ ô nhiễm nguồn nước. Ngoài ra, xúc tác đồng thể không thể thu hồi để tái sử dụng. Ngược lại, các xúc tác dị thể đơn kim loại lại có hoạt tính thấp và diện tích tiếp xúc kém. Tốc độ khuếch tán của phân tử ethylene glycol vào cấu trúc polymer bị cản trở lớn. Hiệu suất chuyển hóa PET và độ chọn lọc monomer thường không đạt kỳ vọng thương mại. Những hạn chế này đặt ra yêu cầu cấp thiết về một hệ xúc tác dị thể lưỡng kim cải tiến. Nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM đã giải quyết triệt để vấn đề phân tách và nâng cao hiệu suất phản ứng.
2.1. Nhược điểm khó thu hồi của xúc tác đồng thể trong glycolysis PET
Xúc tác đồng thể như muối kẽm acetate tan hoàn toàn trong pha lỏng của hỗn hợp ethylene glycol. Điều này tạo ra sự tiếp xúc đồng đều giữa phân tử xúc tác và chuỗi polymer PET. Tuy nhiên, giai đoạn tinh chế sản phẩm bis(2-hydroxyethyl) terephthalate gặp nhiều khó khăn. Quá trình rửa và kết tinh lặp lại nhiều lần làm tiêu hao một lượng lớn dung môi sạch. Xúc tác bị rửa trôi theo dịch lọc, dẫn đến thất thoát nguyên liệu và tăng chi phí sản xuất. Lượng muối kim loại tồn đọng làm giảm độ trong suốt và tính chất cơ lý của nhựa tái chế. Vấn đề môi trường phát sinh từ nước thải chứa kim loại nặng đòi hỏi trạm xử lý chuyên biệt. Do đó, việc thay thế bằng xúc tác dị thể có tính ổn định cao là xu thế tất yếu.
2.2. Vấn đề hoạt tính thấp và độ trơ bề mặt của xúc tác dị thể đơn lẻ
Nhiều công trình đã thử nghiệm các oxide kim loại đơn lẻ như ZnO thuần túy hoặc MnO2 thuần túy. Những hạt oxide rời rạc này thường bị kết tụ mạnh trong điều kiện nhiệt độ cao từ 180 đến 240 độ C. Hiện tượng vón cục làm suy giảm nghiêm trọng diện tích bề mặt riêng của vật liệu. Số lượng tâm hoạt tính axit Lewis tiếp xúc với phân tử phản ứng bị hạn chế đáng kể. Tốc độ phân cắt liên kết ester diễn ra chậm chạp, kéo dài thời gian phản ứng lên nhiều giờ. Sản phẩm phụ dạng oligomer mạch ngắn chiếm tỷ lệ cao trong hỗn hợp sau phản ứng. Việc thiếu chất mang phân tán khiến xúc tác nhanh chóng mất hoạt tính sau chu kỳ đầu tiên. Đây chính là động lực để nhóm nghiên cứu phát triển hệ xúc tác bimetal Zn-Mn trên nền silica.
III. Giải pháp điều chế xúc tác oxide kẽm và mangan depolymer hóa PET
Nhóm nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM đã thành công tổng hợp hệ xúc tác Zn-Mn/SiO2 bằng phương pháp tẩm ướt. Tiền chất kẽm nitrate và mangan nitrate được hòa tan và tẩm lên nền silica vô định hình. Hỗn hợp được sấy khô và nung ở nhiệt độ cao để hình thành các pha oxide tinh thể. Tỷ lệ mol giữa Zn và Mn được điều chỉnh chính xác nhằm tạo ra cấu trúc phối trí tối ưu. Phản ứng glycolysis phế thải PET được thực hiện trong bình phản ứng kín cùng ethylene glycol dư thừa. Nhiệt độ phản ứng duy trì trong khoảng 180 đến 200 độ C với sự khuấy trộn liên tục. Động học phản ứng diễn ra theo phương trình bậc một chứng minh cơ chế phân cắt mạch diễn ra thuận lợi. Cấu trúc và hình thái của vật liệu xúc tác được xác định thông qua XRD, BET và FTIR. Sản phẩm monomer BHET kết tinh màu trắng được phân tích định lượng bằng phổ NMR và phân tích nhiệt DSC, TGA. Kết quả chứng minh hệ xúc tác đạt hiệu suất chuyển hóa cao và độ chọn lọc monomer vượt trội.
3.1. Phương pháp tẩm ướt tổng hợp hệ xúc tác Zn Mn trên nền silica
Phương pháp tẩm ướt cho phép phân tán đồng đều ion kim loại kẽm và mangan lên mạng mao quản silica. Quá trình bắt đầu bằng việc hòa tan hoàn toàn muối kẽm và mangan trong dung môi nước cất. Silica đóng vai trò giá mang cơ học với diện tích bề mặt riêng lớn được đo bằng đẳng nhiệt hấp phụ N2. Dung dịch muối thấm sâu vào các lỗ xốp nhờ lực mao dẫn tự nhiên. Mẫu sau đó được sấy chậm để dung môi bay hơi từ từ, tránh hiện tượng co cụm pha kim loại. Quá trình nung hoạt hóa diễn ra ở nhiệt độ thích hợp nhằm phân hủy muối nitrate thành dạng oxide ổn định. Sự thay đổi tỷ lệ Zn và Mn dẫn đến việc hình thành các pha tinh thể hỗn hợp đặc trưng trên bề mặt SiO2. Vật liệu thu được có độ bền cơ học cao và cấu trúc vi mô bền vững.
3.2. Đánh giá đặc trưng vật liệu và cơ chế phản ứng depolymer hóa
Nghiên cứu sử dụng hệ thống thiết bị phân tích hiện đại nhằm đánh giá toàn diện tính chất vật liệu. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) xác định thành phần pha và kích thước tinh thể của oxide kẽm và mangan. Phương pháp hấp phụ đẳng nhiệt BET trên máy Micromeritics 2020 cung cấp thông số diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp. Phổ hồng ngoại FTIR chứng minh sự hiện diện của các liên kết đặc trưng giữa oxide kim loại và nền silica. Trong phản ứng depolymer hóa, ethylene glycol trương nở mảnh nhựa PET và khuếch tán vào chuỗi polymer. Tâm xúc tác Zn-Mn kích hoạt nhóm carbonyl của este, thúc đẩy phản ứng ái nhân của phân tử glycol. Sản phẩm phân cắt monomer bis(2-hydroxyethyl) terephthalate hình thành nhanh chóng với độ tinh khiết cao. Phân tích nhiệt DSC và TGA khẳng định sản phẩm có điểm nóng chảy và độ ổn định nhiệt tương đương mẫu chuẩn thương mại.
IV. Kết luận ứng dụng xúc tác oxide kẽm và mangan depolymer hóa PET
Nghiên cứu của ĐH SPKT TP.HCM đã khẳng định tiềm năng to lớn của xúc tác Zn-Mn/SiO2 trong tái chế nhựa. Quá trình tổng hợp xúc tác sử dụng hóa chất phổ biến, quy trình đơn giản và dễ kiểm soát. Phản ứng depolymer hóa PET đạt tỷ lệ thu hồi monomer BHET cao với độ tinh khiết ấn tượng. Động học phản ứng tuân theo quy luật bậc một giúp việc nâng quy mô công nghiệp trở nên khả thi. Xúc tác dị thể có độ bền nhiệt cao và khả năng tách lọc dễ dàng sau phản ứng. Khả năng tái sinh và tái sử dụng xúc tác nhiều lần giúp hạ giá thành sản xuất thương mại đáng kể. Monomer BHET thu được đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn làm nguyên liệu tái tổng hợp PET nguyên sinh chất lượng cao. Quy trình này mở ra giải pháp xanh cho ngành xử lý rác thải nhựa tại Việt Nam. Công nghệ góp phần hiện thực hóa mô hình kinh tế tuần hoàn và giảm thiểu gánh nặng rác thải nhựa ra môi trường. Các doanh nghiệp tái chế có thể áp dụng quy trình này để tạo ra sản phẩm nhựa an toàn cho người tiêu dùng.
4.1. Hiệu quả tái chế nhựa tuần hoàn và giá trị của monomer BHET
Sản phẩm bis(2-hydroxyethyl) terephthalate (BHET) thu được từ phản ứng glycolysis sở hữu độ tinh khiết vượt trội. Monomer này là tiền chất trực tiếp để tái tổng hợp chuỗi nhựa PET mới mà không làm suy giảm cơ tính. Nhựa tái chế từ con đường hóa học đạt chất lượng tương đương nhựa nguyên sinh từ dầu mỏ. Vật liệu tái chế này đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn an toàn cho bao bì thực phẩm và dược phẩm. Thay vì hạ cấp vật liệu như phương pháp tái chế cơ học, quy trình này bảo toàn nguyên vẹn giá trị thương mại. Ngoài ra, monomer BHET còn là nguyên liệu quý để sản xuất sơn phủ polyester, keo dán và bọt xốp polyurethane. Việc làm chủ nguồn monomer tái chế giúp doanh nghiệp chủ động chuỗi cung ứng vật liệu bền vững.
4.2. Hướng phát triển mở rộng quy mô công nghiệp tại Việt Nam
Đề tài tốt nghiệp tại ĐH SPKT TP.HCM đã đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc mở rộng quy mô pilot. Hệ xúc tác Zn-Mn trên silica có chi phí nguyên liệu thấp và tuổi thọ sử dụng cao. Thiết bị phản ứng glycolysis có thể tích hợp trực tiếp vào các nhà máy xử lý rác thải hiện hữu. Việc tối ưu hóa tỷ lệ dung môi ethylene glycol và thời gian phản ứng giúp tiết kiệm năng lượng vận hành. Sự kết hợp giữa trường đại học kỹ thuật và doanh nghiệp tái chế là chìa khóa then chốt để chuyển giao công nghệ. Công nghệ này hứa hẹn giải quyết hàng ngàn tấn rác thải chai nhựa PET mỗi năm tại các đô thị lớn. Đây là bước đi cụ thể hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng không của Việt Nam.
