Vấn đề ô nhiễm môi trường là một trong những vấn đề luôn được thế giới quan tâm, nhưng điều đáng lo ngại nhất đó là ô nhiễm chất thải nhựa – chủ yếu là chai nhựa PET.
Các loại chai nhựa được sử dụng rất phổ biến vì dễ sử dụng cho người tiêu dùng. Do đó, vấn đề ô nhiễm tăng lên mức đáng lo ngại vì thế giới đang sản xuất lượng rác thải nhựa nhiều gấp hai lần so với hai thập kỷ trước đạt đến 460 triệu tấn và có khoảng 30 triệu tấn rác thải nhựa ở biển và đại dương khoảng 109 triệu tấn rác thải nhựa tích tụ ở khu vực sông ngòi trong đó rác thải nhựa PET chiếm đến 15-20 % tổng lượng rác thải nhựa [1, 2]. Việc tạo ra rác thải nhựa đã góp 3-4 % vào lượng phát thải hiệu ứng nhà kính toàn cầu, làm mất cân bằng hệ sinh thái động thực vật, tác động tiêu cực như “ô nhiễm trắng” tại các bờ biển gây mất thẩm mỹ, ô nhiễm đất đai, ô nhiễm không khí, ô nhiễm nguồn nước ngầm. Khi việc xử lý, bảo quản rác thải nhựa sai cách cũng gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người [3]. Để giải quyết các vấn đề đó, các phương pháp xử lý đã được đề cử là tái chế, quản lý, thiêu đốt và chôn lấp. Theo thống kê từ năm 2000 – 2019 thì các phương pháp có các tỷ lệ ứng dụng sau:
Hình 1. Tỉ lệ áp dụng phương pháp xử lý rác thải nhựa [4]
Rác thải nhựa được xử lý bằng phương pháp tái chế chiếm 9.29 %, thiêu đốt 19.05
%, 22.45 % và chôn lấp 49.21 % [5]. Những phương pháp trên chỉ là những biện pháp tạm
2
thời ngăn sự thải bỏ trực tiếp ra môi trường nhưng đến cuối cùng thì vẫn không tránh khỏi việc gây ô nhiễm môi trường. Các nhà khoa học đều thấy được vấn đề nan giải đó nên đã tìm cách tiếp cận việc chuyển hóa nhựa nhằm loại bỏ được việc phải chôn lấp, giảm mức tiêu thụ dầu thô tổng thể và duy trì giá trị hóa học của polyester trong việc sản xuất có giá trị cao với mức tiêu thụ năng lượng 40 – 50 % so với việc sử dụng nhựa nguyên chất [6], nhưng sau khi tìm hiểu thì tính chất của nhựa PET rất phù hợp để có thể làm nên vật liệu hấp phụ giúp xử lý môi trường như ứng dụng loại bỏ màu trong nước thải, loại bỏ Crom, tàng trữ khí, phân tách các loại hỗn hợp khí [7, 8]. Hiện nay, trên thế giới cũng đã ứng dụng việc sử dụng nhựa PET làm thành vật liệu khung hữu cơ MOF nhiều loại khác nhau như F300 - MOF [9], MIL–53(Fe) [10], MIL–53(Cr) [11]....Tuy nhiên các quá trình để làm nên các vật liệu này vẫn còn nhiều hạn chế như chi phí tạo ra vật liệu đắt đỏ, tốn nhiều hóa chất, lượng PET dư thừa nhiều, quá trình thực hiện qua rất nhiều công đoạn và có quy mô nhỏ, diện tích bề mặt BET thấp, vật liệu còn giãn nở không gian và H2 – DBC còn dư trong vật liệu chưa được loại bỏ hết ở công đoạn lọc rửa nên đã che phủ mao quản của vật liệu [12, 13].
Trong nghiên cứu này, phương pháp chuyển hóa PET thành vật liệu hấp phụ được đưa ra, giảm bớt lượng hóa chất cần dùng, công đoạn ít phức tạp, hiệu quả thu hồi vật liệu cao và xây dựng với quy mô lớn, không khử chuỗi PET để đưa về dạng đơn vị cơ bản đó là axit terephthalic hay còn gọi là axit dicarboxylic 1,4-benzen (DBC) và ethylene glycol mà trực tiếp thủy nhiệt PET kết hợp với Al2(SO4)3 tạo nên vật liệu khung hữu cơ MOFs sau đó sẽ khảo sát khả năng hấp phụ của các mẫu vật liệu này. Các mẫu vật liệu sẽ được đánh giá bằng các phương pháp phân tích FTIR, XRD, SEM và BET [14-16].
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu khảo sát quá trình chuyển hóa nhựa PET thành vật liệu hấp phụ ứng dụng để xử lý môi trường.
Nội dung nghiên cứu
- Xác định điều kiện tối ưu (nhiệt độ, thể tích dung môi và tỷ lệ nguyên liệu/dung môi) để tổng hợp được vật liệu khung hữu cơ MOFs.
3
- Khảo sát hiệu suất chuyển hóa nhựa PET thành vật liệu khung hữu cơ MOFs qua từng điều kiện để chọn được hiệu suất xử lý nhựa PET cao nhất, thu hồi được vật liệu nhiều nhất.
- Phân tích các đặc tính cơ bản của vật liệu.
- Khảo sát khả năng hấp phụ của vật liệu đối với màu Methylene Blue và kim loại nặng Crom (VI).
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu
Vật liệu khung hữu cơ MOFs được tổng hợp từ nhựa PET để xử lý môi trường.
Hình 2. Nhựa Polyethylene Terephthalate (PET) [17]
Nhựa PET là tên viết tắt của từ polyethylene terephthalate hay còn gọi với các tên viết tắt như: PETE, PETP. Đây là loại nhựa nhiệt dẻo dựa trên polyester, là một trong những loại nhựa phổ biến nhất. Chúng thường được dùng trong sản xuất tơ lụa, đồ dùng đựng thực phẩm, đồ uống. Vì nhựa PET rất dễ sử dụng so với các loại nhựa khác, vậy nên chúng được sử dụng rộng rãi rất phổ biến việc làm chai nhựa đựng thức uống. Sau khi sử dụng một phần trong đó được tái chế, còn lại sẽ thải ra môi trường và gây ô nhiễm môi trường [18, 19].
4
Để giải quyết triệt để vấn đề này, các ngành đều phải chuyển sang các phương pháp tiếp cận bền vững và thay thế, hướng tới môi trường sạch hơn và lành mạnh hơn. Ngoài ra các nhà khoa học cần phát triển các công nghệ tái chế mới và các quy trình ít gây tổn hại đến môi trường. Đây cũng là lý do ông EM El – Sayed và các cộng sự của ông đã tìm hiểu về công dụng hữu ích của nhựa PET [20] và sử dụng các nguồn phối tử kim loại cùng với dung môi để tổng hợp MOFs, vật liệu có giá trị gia tăng. Phương pháp thực hiện dựa trên cơ sở của người đầu tiên tìm hiểu về MOFs với chủ đề “ Thiết kế và tổng hợp khung kim loại hữu cơ đặc biệt ổn định và có độ xốp cao " Giáo Sư Omar Yaghi tại UC Berkeley [21, 22]. Dựa trên những tìm hiểu của người đi trước, ông EM EL - Sayed và cộng sự đã thử nghiệm dùng nhựa PET chế tạo vật liệu khung hữu cơ và nó đã cho thấy được sự hiệu quả bất ngờ. Khung vật liệu hữu cơ MOFs được tạo ra từ nhựa PET là loại vật liệu rắn kết tinh hay còn gọi là polyme phối hợp xốp (PCP), vật liệu tinh thể xốp với các mạng vô hạn được tạo thành các đơn vị thứ cấp (SBU), muối hoặc cụm cation kim loại và phối tử hữu cơ polydentate với các kết nối phối hợp, nhờ diện tích bề mặt cao có thể tiếp cận được, kích thước lỗ có thể điều chỉnh được, vị trí kim loại mở và cấu trúc tinh thể có trật tự có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi loại hoặc tính chất của nhóm kim loại [23]. Các nghiên cứu đều cho thấy vật liệu nhựa PET rất có tiềm năng trong việc tạo sản phẩm khung hữu cơ vì tạo sự liên kết và tổng hợp không dung môi các MOFs dựa trên BDC, ví dụ UiO - 66(Zn) [24], UiO - 66 (Hf) [25], Cu – DC và MIL-53 (Fe) đều được tổng hợp bằng thủy nhiệt [26, 27].
Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm với các đối tượng là nhựa PET, muối nhôm Al2(SO4)3.18H2O và mô hình hệ nồi hấp thủy phân nhiệt.
- Dung môi được sử dụng trong quá trình tổng hợp là nước.
3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu, tham khảo tài liệu
Dựa trên các nguồn tài liệu đáng tin cậy như báo nghiên cứu khoa học trong nước và quốc tế, sách, các phương tiện truyền thông nổi tiếng để tìm hiểu được tình hình ô nhiễm của rác thải nhựa ảnh hưởng đến đời sống của con người và hệ sinh thái tự nhiên. Cùng với
5
đó là tìm hiểu về phương pháp tổng hợp vật liệu khung hữu cơ MOFs từ nhựa PET để giúp xử lý môi trường. Từ đó, hình thành các bước cơ bản của công việc trong công trình nghiên cứu.
Phương pháp thực nghiệm
Phương pháp thực nghiệm là phương pháp khoa học yêu cầu người nghiên cứu phải thực hiện các bước tiến hành thí nghiệm một cách nghiêm túc, khảo sát những điều kiện nhất định, thí nghiệm vật lý, hóa học. Sau cùng, cần tính toán kỹ lưỡng về các sai số cũng như sự tỉ mỉ trong từng thông số để có thể tổng hợp các thông số nhất định liên quan đến công trình nghiên cứu của đề tài.
Phương pháp xử lý và phân tích số liệu
Phương pháp này là quá trình thu thập, diễn giải số liệu thí nghiệm và xem xét kết quả. Cần ghi nhận tất cả số liệu, xử lý, tính toán, vẽ biểu đồ và phân tích các kết quả có trong công trình nghiên cứu.