CHLB ĐỨC – Trong dự án Zirk-Tex, các nhà khoa học tại trung tâm nghiên cứu kinh tế tuần hoàn nhựa Fraunhofer CCPE (Fraunhofer cluster of excellence circular plastics economy) đang tiên phong trong việc phát triển các quy trình mới, nhằm thiết kế bền vững các loại vật liệu địa kỹ thuật (geosynthetics) và màng lợp mái (roofing membranes) (*) từ nguồn nguyên liệu tái chế.
(*) Geosynthetics: là các loại vật liệu bằng nhựa (như vải, lưới, màng) dùng để gia cố đất, lọc nước hoặc thoát nước trong xây dựng cầu đường, đê đập.
Roofing membranes: là các lớp màng chống thấm chuyên dụng để lợp trên mái nhà hoặc các công trình công nghiệp.

Liệu chúng ta có thể khai thác các dòng chất thải nhựa vốn chưa được sử dụng trước đây, để tạo ra sợi và màng polyme chất lượng cao? Làm thế nào để sản xuất sợi polyme sinh học với khả năng phân hủy có thể điều chỉnh theo nhu cầu? Đây chính là những vấn đề cốt lõi mà các chuyên gia tại trung tâm Fraunhofer CCPE đang tìm cách giải quyết.

Bằng cách kết hợp các phương pháp tái chế sáng tạo bổ trợ cho quy trình cơ học truyền thống, dự án nghiên cứu toàn diện chuỗi giá trị ở quy mô thử nghiệm nhằm tạo ra các giải pháp bền vững cho ngành xây dựng.

Nâng tầm chất lượng nhựa tái chế: thách thức và cơ hội
Thị trường nhựa tái chế, đặc biệt là polypropylene (PP) và polyethylene terephthalate (PET) (1), hiện vẫn còn rất nhiều tiềm năng. Dù nhu cầu về giải pháp bền vững đang tăng vọt, rào cản lớn nhất vẫn nằm ở chất lượng nguyên liệu đầu ra. Nhiều quy trình tái chế hiện nay thường thất bại do các tạp chất gây khó khăn cho việc xử lý, khiến vật liệu tái chế khó cạnh tranh với nhựa nguyên sinh (2).
(1) PP: là một loại nhựa dẻo có trọng lượng nhẹ, độ bền tốt, khả năng chịu nhiệt ổn định. PP được sử dụng rộng rãi trong bao bì, linh kiện, thiết bị gia dụng, …
PET: là vật liệu nổi bật với độ bền kéo cao, khả năng chống thấm khí tốt và độ trong suốt vượt trội. Loại vật liệu này thường dùng trong ngành đồ uống (chai PET), bao bì thực phẩm, sợi dệt, …
(2) Nhựa nguyên sinh: là loại nhựa được sản xuất trực tiếp từ dầu mỏ hoặc khí tự nhiên thông qua quá trình tổng hợp hóa học, chưa từng qua sử dụng hay tái chế. Vật liệu này có độ tinh khiết cao và chất lượng đồng nhất nên thường được dùng trong các ứng dụng như bao bì thực phẩm, linh kiện y tế, điện – điện tử, …

Để thay đổi thực trạng này, sáu viện nghiên cứu thuộc trung tâm Fraunhofer CCPE đã hợp tác cùng các viện Fraunhofer về sinh học phân tử và sinh thái học ứng dụng (IME – Fraunhofer institutes for molecular biology and applied ecology) và viện Fraunhofer về quang điện tử, công nghệ hệ thống và khai thác hình ảnh (IOSB – Fraunhofer institute for optronics, system technologies and image exploitation), cùng triển khai dự án Zirk-Tex (Circular textile fabrics – vải dệt tuần hoàn). Mục tiêu của họ là chứng minh khả năng: biến rác thải nhựa chưa qua sử dụng thành màng, vải không dệt và sợi cao cấp để ứng dụng vào sản xuất màng lợp mái. Đây là thị trường đầy tiềm năng khi mỗi năm có hàng trăm triệu mét vuông vật liệu lót mái được tiêu thụ tại châu Âu.

Bước đột phá cho vật liệu địa kỹ thuật tự phân hủy
Ngoài nhựa tái chế, dự án còn tập trung xóa bỏ định kiến cho rằng polyme sinh học không đủ bền bỉ cho các ứng dụng kỹ thuật khắt khe. Trong một nhánh nghiên cứu khác, các đối tác dự án đã thành công trong việc sản xuất sợi sạch (không chứa chất độc hại) từ các loại polyme sinh học như polylactide (PLA) và polybutylene succinate (PBS). Thành tựu này cho phép chế tạo các loại vải địa kỹ thuật có khả năng tự phân hủy trong môi trường với tốc độ được kiểm soát.

Ứng dụng thực tiễn: Những loại vải sợi sinh học này là giải pháp lý tưởng cho việc gia cố tạm thời các sườn dốc, đê đập hoặc xây dựng đường tạm, nơi vật liệu sẽ tự phân hủy một cách an toàn sau khi hoàn thành nhiệm vụ mà không gây hại cho hệ sinh thái.

Sản xuất màng lợp mái từ nhựa PP và PET: khi tính kinh tế song hành cùng công nghệ
Tiến sĩ Evgueni Tarkhanov, nhà khoa học tại viện Fraunhofer về nghiên cứu polyme ứng dụng (IAP – Fraunhofer institute for applied polymer research), chia sẻ: “Sản xuất linh kiện đúc tiêm (injection – moulded) từ nhựa tái chế không phải là vấn đề quá khó. Tuy nhiên, để chế tạo các sản phẩm dệt may như vải không dệt dùng cho màng lợp mái lại là một câu chuyện hoàn toàn khác.”

Theo Tiến sĩ Tarkhanov, quá trình tạo sợi đặt ra những yêu cầu phức tạp đối với vật liệu tái chế. Nguyên liệu đầu vào phải đạt độ đồng nhất tuyệt đối và hoàn toàn sạch tạp chất để có thể đùn đều qua các ống mao dẫn siêu nhỏ, đồng thời chịu được lực kéo cực lớn sau khi đùn. Ông nói rằng: “Độ ổn định trong xử lý là yếu tố quyết định của sản xuất.” Chỉ một hạt bụi siêu nhỏ hay một lượng nhỏ polyme tạp chất có thể tạo ra lỗi trong khối nung chảy, dẫn đến đứt sợi. Việc thay thế các bó sợi trên cơ cấu dẫn hướng không chỉ gây mất thời gian mà còn có thể làm đình trệ toàn bộ dây chuyền, kéo theo tổn thất chi phí lớn.

Toàn bộ chuỗi giá trị
Để hiện thực hóa việc sản xuất màng lợp mái từ nguyên liệu tái chế, nhóm nghiên cứu đã mô phỏng toàn bộ chuỗi quy trình cho nhựa PP và PET ở quy mô thử nghiệm:
– Phân loại: do viện Fraunhofer IOSB thực hiện
– Tái chế tiên tiến: do viện Fraunhofer ICT và Fraunhofer IVV thực hiện
– Tối ưu hóa: nhựa tái chế được chuyển thành dạng hạt hoặc hợp chất, sau đó được bổ sung phụ gia. Do viện Fraunhofer LBF thực hiện.
– Thành phẩm: cuối cùng, vật liệu được xử lý bằng công nghệ kéo sợi để tạo thành vải không dệt, màng hoặc lớp phủ.

Tiến sĩ Christian Schütz, quản lý dự án tại viện Fraunhofer LBF, cho biết nhóm đã đánh giá tiềm năng của hai phương pháp tái chế chủ đạo: phân đoạn nhựa PET được xử lý qua glycolysis (một quy trình tái chế hóa học tiếp nối bằng tái polyme hóa), trong khi cả nhựa PP và PET đều được thu hồi thông qua quy trình tái chế dựa trên dung môi kết hợp làm sạch sâu. Các chất cặn dư từ cả hai quy trình này tiếp tục được xử lý bằng phương pháp nhiệt phân (được thực hiện bởi viện Fraunhofer về công nghệ môi trường, an toàn và năng lượng, UMSICHT – Fraunhofer institute for environmental, safety and energy technology). Song song đó, dự án còn thực hiện đánh giá vòng đời sản phẩm và phân tích dòng vật liệu hiện có nhằm đảm bảo tính khả thi về môi trường và kinh tế.

Các quy trình tái chế tiên tiến cho vật liệu tái chế tinh khiết
Sử dụng quy trình tái chế dựa trên dung môi của viện Fraunhofer về kỹ thuật quy trình và đóng gói (IVV – Fraunhofer institute for process engineering and packaging), đội ngũ nghiên cứu đã tách thành công nhựa PP khỏi các polyme và phụ gia không mong muốn, tạo ra nguồn nguyên liệu tinh khiết.

Kết quả: Từ dòng chất thải chứa 33% nhựa PP và 67% nhựa tạp, sau xử lý, polyethylene (PE) là polyme không mong muốn duy nhất còn sót lại với tỷ lệ thấp, dưới 2%.

Nhóm nghiên cứu cũng đảm bảo được độ ổn định nhiệt cao cho nhựa PP tái chế (rPP) trong suốt quá trình gia công. Lượng nhựa rPP thu được sau đó đã được kéo thành sợi multifilament (1) tại viện Fraunhofer IAP. Tiến sĩ Schütz chia sẻ: “Bằng cách áp dụng chiến lược phụ gia (additive strategy) (2) phù hợp, độ ổn định đã được cải thiện đáng kể cho cả nhựa tái chế PP và PET”.
(1) Multifilament: là loại sợi gồm nhiều sợi nhỏ (filament) hợp lại thành một bó.
(2) Additive strategy: Nhựa tái chế thường bị suy giảm chất lượng do tác động của nhiệt và ánh sáng trong quá trình sử dụng trước đó. “Chiến lược” ở đây nghĩa là việc tính toán để pha trộn thêm các chất hỗ trợ (như chất chống oxy hóa, chất ổn định nhiệt) nhằm phục hồi các đặc tính của nhựa.

Công nghệ sợi multifilament với 48 sợi đơn
Tại viện Fraunhofer ICT, các nhà nghiên cứu đã thực hiện quy trình glycolysis đối với nhựa PET, sử dụng nguồn đầu vào là các khay nhựa PET chứa đến 13% tạp chất không mong muốn. Glycolysis là một dạng của quá trình dung phân (solvolysis) (*), trong đó ethylene glycol được sử dụng để khử polyme PET thành bis(2-hydroxyethyl) terephthalate (BHET).
(*) Solvolysis: Trong ngành hóa học polyme, dung phân là một quá trình tái chế hóa học tiên tiến, một loại dung môi được sử dụng để “cắt” các chuỗi phân tử dài của nhựa (polyme) trở lại thành các mảnh nhỏ hơn (oligomer) hoặc các đơn vị cơ bản nhất (monomer).

Tiến sĩ Schütz nói thêm: “Trong quá trình dung phân, nhựa được phân tách một cách chọn lọc thành các đơn phân (monomer) tương ứng thông qua tác nhân khử polyme.” Sau đó, lượng BHET thu được đã được tái polyme hóa thành rPET tại viện Fraunhofer IAP và đưa vào dây chuyền kéo sợi nóng chảy thử nghiệm để tạo ra loại sợi đa sợi (multifilament) gồm 48 sợi đơn siêu mảnh.

Bên cạnh đó, các chuyên gia cũng chứng minh rằng cùng một phân đoạn PET đó hoàn toàn có thể được tái chế hiệu quả bằng quy trình dựa trên dung môi. Tiến sĩ Tarkhanov nói tiếp: “Chúng tôi đã thành công trong việc tạo ra sợi để sản xuất vải không dệt từ cả nhựa PP và PET; riêng nhựa PP cho thấy cũng phù hợp để sản xuất màng lọc”.

Tiềm năng tận dụng tối đa nguồn tài nguyên
Quá trình nhiệt phân (pyrolysis) cặn từ quy trình tái chế nhựa PP bằng dung môi, đã tạo ra tỷ lệ khí nhiệt phân cao và lượng than cốc thấp. Tương tự, dầu nhiệt phân với hàm lượng dầu cao và ít than cốc cũng được thu hồi từ cặn của quá trình thủy phân nhựa PET bằng dung môi. Sản phẩm từ cả hai dòng nguyên liệu thô này đều mở ra triển vọng tái chế sâu rộng, không bỏ phí bất kỳ thành phần nào.

Giảm thiểu dấu chân carbon cho ngành công nghiệp
Các nghiên cứu đi kèm cho thấy nguồn cung nhựa PP và PET hiện nay là rất dồi dào và phù hợp, tuy nhiên thách thức nằm ở việc thiết lập hệ thống hậu cần và phân loại để tiếp cận nguồn tài nguyên này một cách tối ưu.

Kết quả đánh giá vòng đời sản phẩm (LCA – life cycle assessment) khẳng định: chuỗi giá trị do viện Fraunhofer CCPE thiết lập đã giúp mang lại sự cân bằng khí hậu vượt trội so với việc sử dụng nhựa nguyên sinh, áp dụng cho cả polyme sinh học lẫn nhựa tái chế.

Tiến sĩ Schütz cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh thành công rằng các dòng vật liệu vốn bị bỏ qua trước đây là một lựa chọn hoàn toàn khả thi để sản xuất vật liệu cao cấp dựa trên nền tảng tái chế”.

Vải địa kỹ thuật phân hủy sinh học: bước tiến từ nhựa sinh học PLA và PBS
Liệu có thể sản xuất các loại nhựa dùng trong cảnh quan (như chậu cây, màng phủ đất, lưới…) từ polyme sinh học polylactide (PLA) và polybutylene succinate (PBS)? Liệu các sản phẩm này có thể được chế tạo mà không gây hại cho môi trường với khả năng phân hủy có kiểm soát? Làm sao để đảm bảo nhựa sinh họa PLA và PBS vẫn giữ được độ bền trong suốt quá trình sử dụng, nhưng lại phân hủy nhanh chóng và hoàn toàn sau khi thực hiện nhiệm vụ?

Đây là những vấn đề quan trọng mà viện Fraunhofer CCPE cần giải quyết trong nhánh nghiên cứu thứ hai của dự án. Trọng tâm là các loại vải địa kỹ thuật được thiết kế cho mục đích sử dụng ngắn hạn (dưới 10 năm), yêu cầu tốc độ phân hủy nhanh sau khi hoàn thành nhiệm vụ. Các nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu khả năng phân hủy và độc tính sinh thái trên các mẫu nhựa sinh học PLA và PBS nguyên sinh.

Kiểm soát thời gian phân hủy bằng công nghệ phụ gia
Để kiểm tra khả năng tự hủy, các đối tác dự án tại viện Fraunhofer UMSICHT đã lưu trữ các mẫu sợi từ hai loại nhựa sinh học PBS và ba loại PLA trong đất ẩm suốt 25 tuần, duy trì ở nhiệt độ 40 độ C và độ ẩm tương đối 90%.

Bằng cách sử dụng các chất phụ gia được thiết kế riêng từ viện Fraunhofer LBF, nhóm nghiên cứu đã đạt được những thành tựu mang tính quyết định:
– Tùy biến thời điểm phân hủy: điều chỉnh chính xác thời gian bắt đầu và lộ trình phân hủy của sợi nhựa sinh học PLA và PBS.
– Tăng tốc quá trình tự hủy: đẩy nhanh tốc độ phân rã trong các thử nghiệm thực tế.
– Bảo toàn cơ tính: giữ vững các đặc tính kỹ thuật của vật liệu cho đến thời điểm quá trình phân hủy được kích hoạt.

An toàn tuyệt đối cho hệ sinh thái
Tiến sĩ Schütz khẳng định: “Chúng tôi đã thành công trong việc sản xuất các loại sợi có đặc tính phân hủy có thể điều chỉnh theo nhu cầu cho cả nhựa sinh học PLA và PBS. Đặc biệt, các kiểm tra về độc tính sinh thái do viện Fraunhofer IME thực hiện cho thấy không có bất kỳ dấu hiệu nào gây hại cho môi trường.”

Kết quả này mở ra triển vọng phát triển cụ thể cho các loại vải địa kỹ thuật trong ứng dụng thực tế. Nhóm nghiên cứu đã lên kế hoạch hợp tác sâu hơn với các đối tác công nghiệp để thương mại hóa giải pháp này.

Để xem các tin bài khác về “Nhựa”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Hannover Messe

Lưu ý: 

Để xem và khai thác hiệu quả nội dung của video clip nói trên (từ YouTube/ một dịch vụ của Google), Quý vị có thể thực hiện các bước sau:
1. Nếu tốc độ internet nhanh, có thể mở chế độ xem toàn màn hình bằng cách nhấn vào khung [ ] tại góc phải (phía dưới góc phải của video)
2. Chọn chế độ hình ảnh tốt nhất của đoạn video, hãy click vào hình bánh xe răng cưa và chọn chất lượng cao hơn (hoặc HD) theo ý muốn
3. Để hiển thị nội dung phụ đề, nhấn vào nút biểu tượng phụ đề [cc]. Một số video không có chức năng này sẽ không có biểu tượng phụ đề.
4. Quý vị có thể nghe hiểu tiếng Anh và có nhu cầu chia sẻ thông tin đến cộng đồng, hãy hỗ trợ techMAG biên dịch nội dung video và gửi cho chúng tôi để có cơ hội đăng thông tin lên technologyMag.net