Dùng các phụ phẩm thải ra từ cá tạo ra nhựa sạch hơn và an toàn hơn

Polyurethanes, một loại nhựa, gần như ở khắp mọi nơi - trong giầy dép, quần áo, tủ lạnh và vật liệu xây dựng. Nhưng loại vật liệu có tính linh hoạt cao này cũng có những điểm hạn chế lớn. Có nguồn gốc từ dầu thô, quá trình tổng hợp độc hại và chậm phân hủy, polyurethane truyền thống không thân thiện với môi trường. Hiện nay, các nhà nghiên cứu thảo luận về việc đưa ra một giải pháp thay thế an toàn hơn, có thể phân hủy sinh học được lấy từ phụ phẩm thải ra từ cá - đầu, xương, da và ruột.

Các nhà nghiên cứu sẽ trình bày kết quả của họ tại cuộc họp mùa xuân của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (ACS).

Francesca Kerton, Ph.D., chủ nhiệm dự án, cho biết nếu được phát triển thành công, polyurethane làm từ dầu cá có thể giúp đáp ứng nhu cầu to lớn về chất dẻo bền vững hơn. "Điều quan trọng là chúng ta phải tạo ra các loại nhựa với kế hoạch xử lý nó khi hết mục đích sử dụng, cho dù đó là sự phân hủy hóa học biến vật liệu thành carbon dioxide và nước, hay tái chế và tái sử dụng."

Để tạo ra vật liệu mới, nhóm của Kerton đã bắt đầu với dầu chiết xuất từ các phần còn lại của cá hồi Đại Tây Dương, sau khi cá được xử lý để bán cho người tiêu dùng. Mikhailey Wheeler, một nghiên cứu sinh trình bày công trình tại cuộc họp cho biết: “Tôi thấy thật thú vị khi chúng ta có thể tạo ra thứ gì đó hữu ích, thậm chí có thể thay đổi cách sản xuất nhựa, từ rác mà mọi người bỏ đi”. Cả Kerton và Wheeler đều học tại Đại học Memorial University of Newfoundland (Canada).

Phương pháp thông thường để sản xuất polyurethane gây ra một số vấn đề về môi trường và mức độ an toàn. Nó cần có dầu thô, một nguồn tài nguyên không thể tái tạo và phosgene, một loại khí không màu và có độc tính cao. Quá trình tổng hợp tạo ra isocyanates, một chất kích thích hô hấp mạnh và sản phẩm cuối cùng không dễ bị phân hủy trong môi trường. Sự phân hủy sinh học hạn chế có thể giải phóng các hợp chất gây ung thư. Trong khi đó, nhu cầu về các giải pháp thay thế an toàn hơn đang tăng lên. Trước đây, một loại polyurethane mới đã được phát triển bằng cách sử dụng dầu có nguồn gốc thực vật để thay thế dầu mỏ. Tuy nhiên, những điều này cũng đi kèm với một yếu điểm: Các loại cây trồng, thường là đậu nành, sản xuất dầu đòi hỏi phải có rất nhiều đất, điều này gây ảnh hưởng đến quỹ đất được sử dụng để trồng các loại cây lương thực khác.

Nhóm nghiên cứu của Kerton nhận thấy phụ phẩm từ cá là một sự thay thế đầy hứa hẹn. Nuôi cá hồi là một ngành công nghiệp chính của vùng duyên hải Newfoundland, nơi đặt trường đại học của cô. Sau khi cá được chế biến, những phần còn sót lại thường được loại bỏ, nhưng đôi khi dầu được chiết xuất từ chúng. Kerton và các đồng nghiệp của cô đã phát triển một quy trình chuyển đổi dầu cá này thành một loại polyme giống polyurethane. Đầu tiên, họ thêm oxy vào dầu không bão hòa một cách có kiểm soát để tạo thành epoxit, các phân tử tương tự như trong nhựa epoxy. Sau khi phản ứng các epoxit này với carbon dioxide, chúng liên kết các phân tử tạo thành với nhau với các amin chứa nitơ để tạo thành vật liệu mới.

Nhưng nhựa có tanh mùi cá không? Kerton nói: “Khi chúng tôi bắt đầu quy trình với dầu cá, thì mùi cá có thoang thoảng xuất hiện, nhưng sau vài bước xử lý, mùi cá đã biến mất,”

Kerton và nhóm của cô ấy đã mô tả phương pháp này trong một bài báo vào tháng 8 năm ngoái, và kể từ đó, Wheeler đã điều chỉnh nó. Gần đây cô ấy đã có một số thành công trong việc hoán đổi amin thành các axit amin, điều này giúp đơn giản hóa quá trình hóa học liên quan. Và trong khi amin mà họ sử dụng trước đây phải có nguồn gốc từ vỏ hạt điều, thì các axit amin đã có sẵn trong tự nhiên. Kết quả sơ bộ của Wheeler cho thấy histidine và asparagine có thể dùng để tạo amin bằng cách liên kết các thành phần của polyme với nhau.

Trong các thí nghiệm khác, họ đã bắt đầu kiểm tra mức độ phân hủy của vật liệu mới khi thời hạn sử dụng của nó kết thúc. Wheeler ngâm các miếng nhựa trong nước, và để tăng tốc độ thoái hóa cho một số nghiệm thức, cô ấy đã thêm lipase, một loại enzyme có khả năng phân hủy chất béo giống như chất béo trong dầu cá. Dưới kính hiển vi, cô ấy đã nhìn thấy sự phát triển của vi sinh vật trên tất cả các mẫu, ngay cả những mẫu ngâm trong nước không có bổ sung gì, một dấu hiệu đáng khích lệ cho thấy vật liệu mới có thể dễ dàng phân hủy sinh học, Wheeler nói.

Kerton và Wheeler có kế hoạch tiếp tục thử nghiệm tác động của việc sử dụng một axit amin trong quá trình tổng hợp và nghiên cứu xem vật liệu này có thể đáp ứng như thế nào đối với sự phát triển của vi sinh vật, liệu có thể đẩy nhanh quá trình phân hủy của nó. Họ cũng có ý định nghiên cứu các đặc tính vật lý của nó để xem nó có thể được sử dụng như thế nào trong các ứng dụng trong thế giới thực, chẳng hạn như trong bao bì hoặc sợi cho quần áo.

Theo American Chemical Society. "Making cleaner, greener plastics from waste fish parts." ScienceDaily. ScienceDaily, 5 April 2021.

Nguồn: www.sciencedaily.com/releases/2021/04/210405075901.htm