Tái chế khép kín phế thải dệt may: Bước đột phá từ công nghệ phân loại hóa chất

Nghiên cứu sinh tiến sỹ Le Thi Hong Ngan (TT Nghiên cứu Xúc tác Carbon xanh, Viện Nghiên cứu Công nghệ Hóa học Hàn Quốc - KRICT) và các cộng sự đã nghiên cứu thành công một công nghệ tách polyester sạch ra khỏi các loại vải phế thải hỗn hợp và sau đó chuyển đổi thành các monome ban đầu, từ đó tạo thành một vòng tái chế khép kín phế thải dệt may.

Công nghệ phân loại hóa học có thể được sử dụng để thu gom polyester một cách có chọn lọc từ chất thải nhựa và dệt may. Các polyester sạch được thu lại nhờ vào việc công nghệ này loại bỏ chất tạo màu và hầu hết các tạp chất hữu cơ. Ảnh: Viện Nghiên cứu Công nghệ Hóa học Hàn Quốc (KRICT)

Theo Báo cáo Thị trường Nguyên liệu và Sợi ưa thích năm 2022 (Preferred Fiber & Materials Market Report), ngành công nghiệp may mặc chiếm đến 10% lượng khí thải carbon toàn cầu. Năm 2021, lượng sợi sản xuất đạt 113 triệu tấn và nhu cầu sợi cũng đang tăng lên hằng năm. Điều đáng nói là cho đến nay, gần 90% chất thải sợi sau tiêu dùng chỉ được xử lý bằng cách đốt hoặc thải bỏ tại các bãi chôn lấp.

Trong số các dạng chất thải này, sợi tổng hợp đã trở thành mối đe dọa lớn đối với môi trường và sức khỏe con người do không thể phân huỷ sinh học, đặc biệt là polyester bởi đây là loại sợi được sử dụng rộng rãi nhất trên hành tinh, chiếm hơn một nửa số vải được sản xuất hằng năm, nhờ vào chi phí thấp và độ bền cao. Do đó, việc tái chế toàn diện polyester là một thách thức quan trọng đối với sự bền vững của môi trường và sức khỏe của các thế hệ tương lai.

Trên thực tế, phế liệu dệt thô không phù hợp để tái sử dụng hoặc tái chế vì nó được trộn lẫn với các loại vải khác nhau, được tạo màu bởi các loại thuốc nhuộm và bị nhiễm nhiều loại tạp chất khác nhau. Muốn tái chế được, các phế liệu này phải được phân loại thành các vật liệu đồng nhất bằng phương pháp hóa học hoặc cơ học. Để đạt được mục tiêu ấy, một nhóm nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Công nghệ Hóa học Hàn Quốc (KRICT), trong đó nghiên cứu sinh tiến sỹ Le Thi Hong Ngan là tác giả thứ nhất, đã phát triển một công nghệ hóa học mới được gọi là “phân loại hóa học”. Kết quả nghiên cứu mới đây đã được công bố trên tạp chí ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Bước tiến trong phân loại hóa chất

Theo đó, công nghệ mới của nhóm nghiên cứu được áp dụng để tách polyester khỏi chất thải dệt may ở dạng hỗn hợp và dạng tạp nhiễm. Trong quá trình xử lý, một hợp chất hóa học độc đáo - có khả năng phá vỡ một cách có chọn lọc tương tác hóa học giữa polyester và thuốc nhuộm được sử dụng để tạo màu - được nhóm nghiên cứu sử dụng để phân tách. Các nhà khoa học này cũng đã phát triển một công nghệ tái chế hóa học mới tiêu tốn ít năng lượng hơn so với các phương pháp thông thường để chuyển đổi polyester thành các monome (một chất đơn phân tử có thể phản ứng với các phân tử monome khác để tạo thành polyme bằng liên kết hóa học) có giá trị, có thể được sử dụng nhiều lần để tổng hợp vật liệu polyme.

Theo nhóm nghiên cứu, quần áo - vốn được làm từ nhiều chất liệu khác nhau với các thành phần không xác định, sau khi không còn được người tiêu dùng sử dụng nữa thì thường sẽ bị loại bỏ. Lý do là bởi, quần áo của chúng ta thông thường được làm từ nhiều loại vải dệt khác nhau như bông, len, polyester, acrylic, nylon, elastane và các loại sợi pha trộn khác. Do đó, việc tái chế quần áo gần như là điều bất khả thi nếu như không phân loại được chúng thành các vật liệu riêng lẻ - vốn là một việc rất khó do các loại vải có các đặc tính vật lý và hóa học không tương thích nhau.

Trong lĩnh vực công nghiệp, việc tách các vật liệu riêng lẻ khỏi vải phế thải được thực hiện bằng cách phân loại thủ công và phần lớn phụ thuộc vào sức lao động của con người. Phương pháp này có độ chính xác thấp, không đáng tin cậy và do đó không thu thập được các vật liệu đồng nhất - một công đoạn rất quan trọng đối với các bước tái chế tiếp theo. Những năm gần đây, thực tế đã có một số nghiên cứu phát triển máy phân loại tự động sử dụng công nghệ hình ảnh siêu quang phổ để thu thập thông tin cấu trúc của các loại vải riêng lẻ. Tuy nhiên, “hệ thống phân loại này vẫn cần một quãng thời gian rất dài nữa mới có thể được thương mại hóa, bởi các rào cản về kỹ thuật và kinh tế”, theo nhóm tác giả.

Trước những hạn chế của các công nghệ cũ, nhóm các nhà khoa học ở KRICT đã đặt mục tiêu nghiên cứu và sử dụng một hợp chất có thể phân hủy sinh học không độc hại với chi phí rẻ để phân biệt polyester về mặt hóa học từ hỗn hợp các loại vải phế thải. Khi hợp chất này được sử dụng cho vải dệt, chúng sẽ tách hoàn toàn các chất màu chỉ có trong polyester, trong khi không gây ra sự thay đổi đáng kể nào với các vật liệu khác. Nhờ đó, polyester sạch sẽ có thể được tách ra khỏi hỗn hợp vải màu.

Không chỉ vậy, theo nhóm nghiên cứu, phương pháp này cũng có thể được sử dụng để tách polyester từ hỗn hợp vải không màu. Theo đó, khi vải không nhuộm màu tiếp xúc với chất tạo màu thải ra từ quá trình phân loại, chỉ polyester tiếp nhận chất tạo màu trong khi các chất liệu khác không thay đổi. Kết quả là, các loại vải chỉ chứa polyester có thể được tách ra khỏi vải phế liệu hỗn hợp một cách chính xác, dễ dàng và hoàn toàn không tiêu tốn nhiều chi phí. “Polyester được phân loại thu được có thể được sử dụng làm nguyên liệu sạch để tái chế hóa học vì phương pháp phân loại này loại bỏ hầu hết các tạp chất hữu cơ bao gồm cả thuốc nhuộm khó phân hủy”, nhóm nghiên cứu cho biết thêm.

Tái chế khép kín

Việc tái chế hóa học - hay nói cách khác là chuyển đổi chất thải polyme thành các thành phần cơ bản ban đầu - là một trong những giải pháp tiềm năng để có thể liên tục tái chế chất thải polyester một cách tuần hoàn, trái ngược với việc tái chế cơ học - vốn chỉ có thể được sử dụng để sản xuất vật liệu chất lượng thấp. Tuy nhiên, với các phương pháp tái chế hóa học thông thường, việc tái chế đòi hỏi phải có nhiệt độ phản ứng cao trên 2000oC để phân hủy hoàn toàn polyester. Hơn nữa, các bước tinh chế trong quá trình tái chế trước đây cũng yêu cầu phải sử dụng nhiều năng lượng trong hầu hết các ứng dụng thương mại nếu muốn thu được sản phẩm monome chất lượng cao.

Để khắc phục điểm hạn chế ấy, nhóm nghiên cứu KRICT đã phát triển một hệ thống phản ứng đường phân ở nhiệt độ thấp để chuyển đổi polyester thải đã được phân loại hóa học thành terepthalate bis(2-hydroxyethyl) tinh khiết. “Đây là một monome quan trọng để tạo ra các polyme mới”, nhóm nghiên cứu giải thích. Nhờ công nghệ mới, các hợp chất monome thu được từ quá trình tái chế hóa học có chất lượng tương đương với hợp chất thu được từ dầu mỏ. Và do hợp chất này tương tự với hợp chất được sử dụng như một chất phụ gia để hạ thấp rào cản năng lượng của quá trình khử polyme trong chức năng “phân loại hóa học”, hệ thống phản ứng mà nhóm KRICT phát triển có thể được tích hợp dễ dàng với công nghệ phân loại hóa học cho các ứng dụng liên quan đến tái chế nhựa hoặc vải dệt đòi hỏi sản phẩm có chất lượng cao, song lại có chi phí rất rẻ.

“Gần đây, ngành may mặc đã sử dụng chai PET trong suốt được làm sạch sau khi sử dụng để sản xuất quần áo polyester tái chế. Tuy nhiên, phương pháp này không bền vững vì vật liệu không thể được tái chế nhiều lần. Trong khi đó, công nghệ hiện tại của chúng tôi sẽ không bị hạn chế bởi sự phức tạp của các vật liệu cấu thành hay mức độ tạp chất ban đầu trong phế thải. Và cho dù các vật liệu mục tiêu có nguồn gốc trực tiếp từ dầu mỏ hay tái chế từ chất thải, công nghệ này vẫn có thể xử lý lặp đi lặp lại hầu hết các loại sản phẩm dệt may sau tiêu dùng. Do đó, nó cũng sẽ giúp giảm chất thải trong các bãi chôn lấp và góp phần xây dựng một nền kinh tế tuần hoàn trong ngành công nghiệp nhựa và dệt may”, TS. Cho Joungmo - chủ nhiệm đề tài nghiên cứu - cho biết trong thông cáo báo chí trên Newswise.

Hiện tại, công nghệ tái chế hóa chất này cũng đã được cấp phép cho Công ty TNHH Renew System (Hàn Quốc). Các nhóm R&D đa ngành hiện đang hợp tác chặt chẽ với nhau để xây dựng các cơ sở đa quy mô nhằm tái chế quần áo phế thải bằng hóa chất. Cuối năm 2024 tới, nhà máy đầu tiên áp dụng công nghệ này sẽ ra đời. Bên cạnh đó, “nhà máy cũng đã được lên kế hoạch để hoạt động thương mại với công suất hằng năm là 10.000 tấn kể từ năm 2025”, nhóm nghiên cứu cho biết.

Các quy trình tái chế khép kín cũng đặt ra những thách thức về môi trường, bao gồm phát thải khí nhà kính và việc sử dụng nước. Tuy nhiên, trong bối cảnh so sánh với các mô hình sản xuất “mở” hoặc theo kiểu tuyến tính, các quy trình tái chế khép kín như trên vẫn là một phần quan trọng để tạo ra sự thay đổi có tính hệ thống. “Việc tái chế luôn có tác động thấp hơn [so với sản xuất tuyến tính]. Không có gì phải nghi ngờ, việc tái chế khép kín có lẽ là một giải pháp hoàn hảo cho một tình huống không hoàn hảo”, Bergkamp của Textile Exchange từng chia sẻ trên Business of fashion năm 2021.

Khoahocphattrien