Dầu thô chuyển đổi thành nhựa như thế nào?

Để tạo ra nhựa tổng hợp, các nhà sản xuất cô lập hydrocarbon có trong dầu thô, phá vỡ chúng thành những phân tử ngắn hơn và tiến hành phản ứng trùng hợp để tạo ra polyme.

Chỉ có con người mới tạo ra loại chất thải mà thiên nhiên không thể phân hủy được. Đây là nhận định của nhà hải dương học Charles Moore, người đã phát hiện ra Đảo rác lớn ở Thái Bình Dương vào năm 1997. Và tất nhiên, ông ấy đang nói về nhựa.

Nhựa là loại vật liệu phổ biến, có mặt ở khắp mọi nơi. Hiện nay, con người sản xuất khoảng 272 triệu tấn nhựa mỗi năm và một nửa trong số đó dành cho mục đích sử dụng một lần. Điều này đã làm gia tăng lượng chất thải nhựa được vận chuyển đến bãi chôn lấp, hoặc rác thải nhựa sẽ theo các dòng chảy đổ ra sông, cuối cùng trôi ra biển gây ô nhiễm nguồn nước và làm suy thoái môi trường tự nhiên.

Thuật ngữ “nhựa” bao hàm nhiều loại vật liệu nhựa không đồng nhất, mỗi loại có các ứng dụng riêng do chúng mang tính chất vật lý rất khác nhau. Trên thực tế, có hơn 300 loại nhựa đã được biết đến, Carl Redshaw, nhà hóa học tại Đại học Hull ở Vương quốc Anh, cho biết.

Nếu các loại nhựa khác nhau như vậy, thì chúng có đặc điểm gì chung? Chúng được làm từ polyme – những hợp chất có phân tử khối rất lớn do nhiều đơn vị nhỏ gọi là monome liên kết với nhau để tạo ra chất dẻo có các phẩm chất như mong muốn, chẳng hạn như tính mềm dẻo, dễ uốn và độ bền cao.

Ngoài ra, nhựa thường thuộc một trong hai loại chính: (1) nhựa sinh học, trong đó polyme có nguồn gốc từ các thành phần như bột ngô, chất béo thực vật; và (2) nhựa tổng hợp, trong đó các polyme được tổng hợp từ dầu thô và khí tự nhiên.

Các loại rác thải nhựa tổng hợp gây ra tác hại nghiêm trọng hơn, bởi vì chúng có xu hướng tồn tại trong môi trường lâu hơn. Để tìm hiểu lý do tại sao, chúng ta hãy xem xét một ví dụ về nhựa có nguồn gốc từ dầu mỏ, đó là chai nhựa đựng sữa trong tủ lạnh của bạn. Nó bắt đầu vòng đời dưới dạng dầu thô tích tụ trong các khoang áp suất cao bên trong lớp vỏ Trái đất. Người ta khoan và bơm dầu thô lên trên bề mặt, sau đó vận chuyển qua các đường ống dẫn đến nhà máy lọc dầu.

Dầu thô có thành phần chủ yếu là các hydrocarbon – hợp chất cấu tạo từ những nguyên tử carbon và hydro tạo thành chuỗi có độ dài khác nhau, mang lại cho chúng những đặc tính khác nhau.

Quy trình chưng cất dầu thô. Ảnh: Live Science.

Tại nhà máy lọc dầu, quá trình sản xuất nhựa bắt đầu diễn ra. Tại đây, dầu thô giống mật đường được đun nóng trong lò để phân tách các hydrocarbon thành những nhóm khác nhau dựa trên số lượng nguyên tử cấu thành và trọng lượng phân tử. Sau đó, chúng sẽ chảy vào một ống chưng cất gần đó. Ở bên trong ống này, các hydrocarbon dài hơn [thường nặng hơn] chìm xuống đáy, trong khi các hydrocarbon ngắn hơn, nhẹ hơn sẽ nổi lên trên cùng. Kết quả là dầu thô được phân tách thành một số nhóm hóa chất riêng biệt để sử dụng chẳng hạn như xăng, dầu hỏa và parafin. Mỗi nhóm chứa các hydrocarbon có trọng lượng và độ dài tương tự nhau. Một trong những nhóm này là naphtha, thứ sẽ trở thành nguyên liệu chính để sản xuất nhựa.

Naphtha là một hỗn hợp hydrocarbon lỏng bao gồm etan (C2H6) và propen (C3H6). Hai hợp chất này đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình sản xuất các loại nhựa phổ biến, bao gồm loại nhựa dùng để chế tạo chai đựng sữa trong tủ lạnh. Nhưng trước khi trở thành nguyên liệu đầu vào để sản xuất nhựa, etan và propen cần được phân tách thành các đơn vị nhỏ hơn.

Có nhiều cách khác nhau để làm điều này. Trong đó cách phổ biến nhất là sử dụng nhiệt độ và áp suất cao trong môi trường không có oxy. Đây là quá trình “cracking hơi nước”, nhằm phá vỡ các hydrocarbon etan và propen thành những phân tử ngắn hơn gọi là monome.

“Các monome như ethylene từ etan, hoặc propylene từ propen có thể điều chế trực tiếp bằng biện pháp cracking nhiệt naphtha”, Payal Baheti, nhà nghiên cứu tại Đại học Aston (Anh), cho biết. Cuối cùng, ethylene và propylene là những nguyên liệu cần thiết để tạo ra “xương sống” của nhựa.

Bước tiếp theo để sản xuất nhựa là tiến hành phản ứng trùng hợp (polymerization), trong đó các thành phần monome riêng lẻ sẽ kết hợp lại với nhau để tạo ra những chuỗi dài lặp lại gọi là polyme. Trong trường hợp này, ethylene và propylene tạo thành polyethylene và polypropylene – hai loại polyme phổ biến và được sản xuất nhiều nhất thế giới.

Vậy, tại sao hai loại polyme trên lại được ưa chuộng? Do có cấu trúc đặc biệt mà polyethylene được sử dụng để sản xuất nhựa với tỷ trọng khác nhau – nghĩa là nhựa có thể mềm và dẻo, hoặc cứng và dai – vì vậy làm cho các ứng dụng của nó trở nên vô cùng đa dạng. Trong khi đó, cấu trúc của polypropylene đặc biệt linh hoạt và đàn hồi. Chúng ta nhìn thấy các loại nhựa này hằng ngày, chủ yếu trong những vật dụng sử dụng một lần như hộp sữa, bao bì nhựa, ống hút, chai nước, túi mua sắm, hộp đựng dầu gội đầu, nắp chai,…

Tuy nhiên, đây chỉ là hai loại nhựa tổng hợp trong số nhiều loại khác. Polyme có thể được tạo ra từ một monome duy nhất, lặp đi lặp lại như polyetylen và polypropylen, hoặc chúng có thể là sự kết hợp của một vài loại monome khác nhau. Hơn nữa, mỗi chuỗi polyme sau đó được xử lý theo nhiều cách và trộn lẫn với các chất phụ gia – bao gồm chất chống oxy hóa, chất tạo bọt, chất hóa dẻo, chất chống cháy – làm cho nhựa mang nhiều đặc tính hữu ích hơn.

“Lấy ví dụ về bao bì đựng thực phẩm. Nó phải có khả năng ngăn cản một phần nào đó ánh sáng Mặt trời và ngăn chặn oxy lọt vào bên trong để tránh thực phẩm bị phân hủy. Vì vậy bao bì đựng thực phẩm phải được bổ sung các chất phụ gia để sở hữu những tính chất trên”, Baheti cho biết. “Chúng ta có thể nói rằng các chất phụ gia đã góp phần tạo ra những đặc tính nổi trội cho polyme và dẫn đến sự hình thành của một loại nhựa”.

Sự đa dạng của polyme đã tạo ra sự phong phú của các sản phẩm nhựa mà chúng ta dùng trong nhiều lĩnh vực đời sống như sản xuất và lưu trữ thực phẩm, mỹ phẩm, công nghệ, y học và chăm sóc sức khỏe,…

Điều cần lưu ý là các hợp chất polyme có trong nhựa tổng hợp không quen thuộc với vi sinh vật trong nước và đất, nghĩa là chúng không thể phân hủy và chuyển hóa nhựa thành nước và carbon dioxide. Để giải quyết vấn đề môi trường do rác thải nhựa gây ra hiện nay, chúng ta cần gia tăng hoạt động tái chế, hạn chế sử dụng đồ nhựa dùng một lần, cũng như tiếp tục nghiên cứu và phát triển những loại nhựa mới có khả năng phân hủy sinh học nhờ vào vi sinh vật có trong nước và đất.

Theo Quốc Hùng/ Khoa học & Phát triển (Theo Live Science)

Ảnh: Các sản phẩm nhựa tổng hợp này từng là dầu thô. Ảnh: Pixabay.