Biến rác thải nhựa thành xăng và diesel: Bước tiến mới với xúc tác chi phí thấp

Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge đã phát triển một phương pháp đơn giản đáng ngạc nhiên để biến polyethylene – loại nhựa phổ biến được sử dụng trong túi mua sắm và thớt nhựa – thành nhiên liệu tương tự xăng và diesel. Quy trình này sử dụng muối nóng chảy có nguồn gốc từ nhôm với chi phí thấp để phân cắt các phân tử nhựa mạch dài thành các hydrocarbon có kích thước nhỏ hơn, tạo ra khoảng 60% sản phẩm là xăng trong điều kiện phản ứng tương đối ôn hòa.

Sơ đồ tóm tắt công nghệ chuyển polyethylene thành nhiên liệu bằng phản ứng với hỗn hợp muối nóng chảy. Nguồn ảnh gốc: Journal of the American Chemical Society

Polyethylene (PE) là một trong những loại polymer phổ biến nhất thế giới, đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều sản phẩm gia dụng từ túi đựng đồ đến thớt nhựa. Phần lớn các sản phẩm này sau khi hết vòng đời sẽ trở thành rác nhựa và khó bị phân hủy tự nhiên trong môi trường. Việc xử lý an toàn loại vật liệu bền vững như PE thường đòi hỏi các phương pháp phức tạp và tiêu tốn nhiều năng lượng. Tuy nhiên, mới đây các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ride (ORNL) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã phát triển một công nghệ tái chế mang tính đột phá. Nhóm nghiên cứu đã kết hợp PE với muối nóng chảy chứa nhôm clorua AlCl₃ - một hóa chất thương mại rẻ tiền, để chuyển hóa loại nhựa này thành các phân tử nhiên liệu như xăng và dầu diesel, với hiệu suất thu hồi xăng khoảng 60% ở nhiệt độ phản ứng tương đối thấp dưới 200°C.

Muối nóng chảy trong hỗn hợp đóng hai vai trò cùng một lúc, vừa là môi trường phản ứng vừa là chất xúc tác thúc đẩy quá trình chuyển hóa hóa học. Công nghệ mới này đã được nhóm nghiên cứu nộp đơn xin cấp bằng sáng chế và công bố trên tạp chí Journal of the American Chemical Society (JACS).

Để so sánh sự vượt trội của phương pháp mới so với các phương pháp truyền thống, theo lời của Zhenzhen Yang, nhà khoa học thuộc ORNL, đồng thời là đồng tác giả chính của bài báo trên JACS “Không giống như các kỹ thuật truyền thống nhằm chuyển đổi polymer thành nhiên liệu, quy trình mới này không cần các xúc tác kim loại quý, dung môi hữu cơ hoặc nguồn hydro bên ngoài. Đây là lần đầu tiên muối nóng chảy được sử dụng làm môi trường để sản xuất các hóa chất có giá trị gia tăng cao từ chất thải mà không cần bất kỳ chất khởi đầu xúc tác hoặc dung môi nào và ở nhiệt độ dưới 200°C.”

Nhiệt độ mà công nghệ mới yêu cầu chỉ tương đương với nhiệt độ bên trong lò nướng thông thường của nhà bếp. Các phương pháp chuyển đổi polyethylene trước đây thành xăng thường dựa vào quá trình nhiệt phân, vốn đòi hỏi nhiệt độ cao khoảng 450-500°C để phân tách các phân tử polymer lớn thành các hydrocarbon nhỏ hơn. Nhiệt độ thấp yêu cầu năng lượng đầu vào ít hơn, cùng với việc nguyên liệu phản ứng là các muối vô cơ bán sẵn trên thị trường, làm đơn giản hóa quy trình và giảm chi phí vận hành. Các ưu điểm kể trên khiến cho công nghệ mà ORNL đang nghiên cứu có thể dễ dàng được ứng dụng ở quy mô sản xuất lớn.

Để hiểu rõ cơ chế phân tử diễn ra bên trong hệ thống chuyển hóa PE thành nhiên liệu bằng muối nóng chảy, các nhà khoa học đã sử dụng kỹ thuật quang phổ tia X mềm và cộng hưởng từ hạt nhân để theo dõi quá trình tương tác giữa các chất ở cấp độ nguyên tử. Họ phát hiện ra rằng các nguyên tử nhôm tích điện liên kết với ba nguyên tử khác tạo ra các vị trí tâm xúc tác có tính acid Lewis mạnh. Những vị trí này có thể tấn công các chuỗi phân tử dài cấu tạo nên polyethylene, và phân tách chúng thành các phân tử hydrocarbon nhỏ hơn.

Các thí nghiệm bổ sung sử dụng phương pháp đánh dấu đồng vị và tán xạ neutron đã cho thấy cấu trúc của polymer ban đầu có ảnh hưởng như thế nào đến sản phẩm nhiên liệu được tạo thành. Các chuỗi polymer đơn giản hơn có xu hướng tạo ra các hợp chất giống xăng (các ankan mạch nhánh C6-C12), trong khi các chuỗi phức tạp hơn tạo ra nhiên liệu giống dầu diesel (các hydrocarbon nhiều C hơn).

Mặc dù có tính ứng dụng cao, tuy nhiên công nghệ mới vẫn còn một hạn chế quan trọng được nhóm nghiên cứu đề cập. Đó là việc muối nhôm có tính hút ẩm mạnh, khiến cho nó dễ dàng hấp thụ nước, từ đó có thể làm giảm độ ổn định của vật liệu. Để giải quyết nhược điểm trên, các nhà khoa học đang tìm cách cố định muối bằng các chất halogen hoặc vật liệu gốc carbon để tăng độ ổn định và khiến cho việc tách và xử lý muối được dễ dàng hơn. Trong tương lai, nếu hệ thống chuyển đổi PE thành nhiên liệu này được mở rộng thành công ở quy mô công nghiệp có thể giúp đảm bảo an ninh năng lượng và xử lý vấn đề rác thải nhựa. Như lời của tác giả chính Liqi Qiu “Nguyên liệu polymer có sẵn rất nhiều từ chất thải tiêu dùng, và hệ thống chất xúc tác của chúng tôi, muối nhôm nóng chảy, rất rẻ... Bước tiến này có thể đầy hứa hẹn cho ngành công nghiệp.”

Nguyễn Minh Khánh - Hcmbiotech.com.vn

Tài liệu tham khảo:
Oak Ridge National Laborator. "A new process turns plastic waste into gasoline and diesel fuel." ScienceDaily. ScienceDaily, 21 September 2026. www.sciencedaily.com/releases/2026/09/260920222405.htm.

1. Liqi Qiu, Felipe Polo-Garzon, Luke L. Daemen, Min-Jae Kim, Jinghua Guo, Bobby G. Sumpter, Michael R. Koehler, Carlos Alberto Steren, Tao Wang, Logan T Kearney, Tomonori Saito, Zhenzhen Yang, Sheng Dai. Polyethylene Upcycling to Liquid Alkanes in Molten Salts under Neat and External Hydrogen Source-Free Conditions. Journal of the American Chemical Society, 2025; 147 (19): 16207 DOI: 10.1021/jacs.5c01107