VẬT LIỆU PHÂN HỦY SINH HỌC: SỰ THẬT HAY DỐI TRÁ – P1

Tầm khoảng vài năm trước, khi mà phong trào tẩy chay nhựa đang rần rần thì siêu thị các nơi rần rần đổi qua dùng những loại túi/bao bì được gọi là “túi tự hủy sinh học” – “túi phân hủy sinh học”. Năm 2011, siêu thị Coop Mart đã bắt đầu sử dụng túi phân hủy sinh học. Vài năm sau đó, tầm khoảng 2018 – 2019 thì nổi lên phong trào ống hút cỏ bàng, ống hút gạo, ống hút tre thay cho ống hút nhựa, bàn chải tre để thay cho bàn chải nhựa, rồi sử dụng lá chuối để gói rau thay cho bao bì nhựa. Năm nay, Shark Tank mùa mới, sản phẩm nhựa sinh học và bao bì sinh học của công ty nọ đang làm mưa làm gió trên mạng xã hội mấy ngày nay (À, trước đây cũng có khá nhiều thương hiệu làm bao bì phân hủy sinh học mà, như AnEco của Tập đoàn An Phát nè). Nói chung là người ta cũng đang rần rần thay thế nhựa bằng các sản phẩm phân hủy sinh học với các tít báo như “Sử dụng vật liệu phân hủy sinh học: Xu thế tất yếu”, và gọi bao bì phân hủy là “sản phẩm xu hướng của thế giới”, “sản phẩm thân thiện môi trường”, “sản phẩm xanh”.

Khoảng 2 năm trước, trên NatGeo đăng bài báo “Túi đựng hàng phân hủy sinh học chôn dưới đất 3 năm trước mà vẫn bền chắc như thường”, đưa tin về việc một nhà sinh học Richard Thompson và sinh viên của ông tại Đại học Plymouth đã chôn một số loại túi đi chợ được quảng bá là “phân hủy sinh học” – biodegradable – xuống đất từ năm 2015 rồi 3 năm sau đào lên mà chúng vẫn còn y nguyên và vẫn còn có thể dùng để đựng khoảng 2.5kg hàng hóa. Sau đó còn có phốt về nhựa oxo-biodegradable chỉ có thể phân rã thành vi nhựa chứ không hoàn toàn phân hủy thành các chất đơn giản. Nhiều người vì thế đã lo lắng và trở nên hoài nghi về việc có thực sự tồn tại một vật liệu hoặc bao bì nào có thể phân hủy sinh học hoàn toàn không hay cụm từ “Phân hủy sinh học” (Compostable/Biodegradable) là một sự dối trá. Vì vậy hôm nay mình viết bài này để giải thích về vấn đề này ha.

Vậy có thực sự tồn tại một vật liệu hoặc bao bì nào có thể phân hủy sinh học hoàn toàn không? Có chứ, có nhiều là đằng khác. Nhưng …?

Nhưng có vài điều bạn cần hiểu như sau:

Nhựa sinh học (Bioplastics) bao gồm nhựa gốc thực vật (bio-based plastics) hoặc/và nhựa phân hủy sinh học (Biodegradable plastics). Nhựa gốc thực vật có thể phân hủy sinh học được (PLA, PGA, PHB) hoặc không (Bio-PE, Bio-PET, Bio-PA – ghi Bio để phân biệt với nhựa gốc hóa thạch thôi chứ bản chất hóa học là y chang nhe), nhựa phân hủy sinh học cũng có thể có nguồn gốc thực vật HOẶC ĐƯỢC TỔNG HỢP TỪ DẦU MỎ.

Nhựa sinh học bao gồm nhựa có nguồn gốc sinh học (bio-based plastics) và nhựa phân hủy sinh học (biodegradable plastics). [Ashby, 2013]

Thuở ban đầu khi phát hiện ra nhựa, người ta nhận thấy cách nhanh nhất, hiệu quả nhất, ít tốn năng lượng nhất để tạo ra nhựa là từ nhiên liệu hóa thạch (dầu mỏ) bằng quá trình chưng cất và phân tách các thành phần hữu cơ có trong đó như hợp chất ester, chlorides, hợp chất hữu cơ mạch thẳng, vòng thơm hay napthenes,… rồi qua quá trình tổng hợp nối mạch thì thành polymer xong rồi trộn thêm phụ gia và gia công thành sp nhựa.

Tuy nhiên, do thị trường dầu mỏ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như trữ lượng, tốc độ và khả năng khai thác (do công nghệ), vị trí địa lý của mỏ/nguồn cung, nhu cầu rất cao và tăng lên theo lũy thừa VÀ CÁC VẤN ĐỀ PHỨC TẠP TRONG QUAN HỆ CHÍNH TRỊ nữa nên đây là một thị trường vô cùng bất ổn, giá dầu thô có thể tăng giảm rất bất ngờ và khiến các ngành nghề phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch chao đảo mạnh. Phần nữa, do nó là nguồn tài nguyên không tái tạo được cho nên lúc nào chúng ta cũng nơm nớp lo sợ là nó hết. Làm sản xuất ai cũng muốn có sự lựa chọn thay thế mà không phải lệ thuộc vào 1 bên nào đó độc quyền chẳng hạn.

Nhằm hạn chế sự lệ thuộc vào thị trường dầu mỏ/dầu thô nên các nhà khoa học đã cố gắng phát triển vật liệu nhựa gốc thực vật (bio-based plastics) – là một trong những nỗ lực đầu tiên để xây dựng mô hình phát triển bền vững – giảm lệ thuộc vào nguồn tài nguyên không tái tạo được và sử dụng tài nguyên tái tạo được.

Đồng thời, khi đối mặt với khủng hoảng rác thải nhựa và rác thải nói chung, người ta nhận ra rất nhiều mặt trái của phương pháp chôn lấp rác như thiếu diện tích đất, quá tải rác, lãng phí nguyên liệu, không đảm bảo vệ sinh, bốc mùi hôi thối, môi trường lây lan dịch bệnh, nước rỉ rác cũng có thể thấm vô đất gây ô nhiễm đất lẫn mạch nước ngầm. Do đó, các nhà quản lý, các nhà khoa học nhận thấy cần phải tìm một phương án khác để xử lý rác cuối vòng đời thay vì chôn lấp.

Nhựa phân hủy sinh học (biodegradable plastics) cho chúng ta là một giải pháp xử lý rác thải khó tái chế ở cuối vòng đời ĐỂ CHÚNG TA CÓ THỂ XỬ LÝ BẰNG PHƯƠNG PHÁP Ủ PHÂN HỦY các vật liệu này cùng rác hữu cơ phân hủy, CHỨ KHÔNG PHẢI LÀ ĐỂ CHO CHÚNG TA THUẬN TIỆN HƠN/ĐỠ NGẠI HƠN TRONG VIỆC VỨT RÁC BỪA BÃI.

—

Tuy nhiên, trước khi người ta đổ xô đi tìm nhựa phân hủy sinh học để làm giải pháp cho vấn đề rác thải khó tái chế, nhựa phân hủy sinh học đã được phát triển từ rất lâu trước đó để dùng vào một lĩnh vực khác có ý nghĩa hơn rất nhiều là các ứng dụng y sinh (biomedical engineering) như chỉ tự tiêu, thiết bị cấy ghép trong cơ thể như implant nha khoa, ốc vít dùng trong phẫu thuật chỉnh hình và trong các sản phẩm dẫn thuốc để chữa các bệnh mãn tính như tiểu đường hoặc các bệnh nặng chưa tìm ra cách chữa như ung thư. Mình rất rất rất thích mảng này của ngành vật liệu và VL polymer. Đây, đây mới là mục đích chân chính high-end của VL polymer phân hủy sinh học nè trời. Tự nhiên thấy cực khổ làm ra VL phân hủy sinh học để bà con muốn quăng đâu thì quăng, thật tào lao, giống như học thật giỏi có bằng tiến sỹ chỉ để đi làm lao công mà lại còn làm ko giỏi bằng bọn làm lao công chuyên nghiệp (vật liệu phân hủy sinh học thường có cơ tính kém hơn nhựa thông thường), thật uổng phí tiềm năng của bọn nhỏ.

Chuyện tiếp theo chúng ta cần hiểu là vật liệu càng dễ phân hủy thì nó sẽ càng không bền trong điều kiện bình thường – tức độ ẩm, nhiệt độ, thời tiết mưa nắng, v.v. Vật chất dễ phân hủy nhất là gì? Chính là thực phẩm đó các bạn. Thực phẩm là những vật chất rất nhanh hư hỏng (perishable goods, materials) vì bản chất của chúng là tinh bột, đạm, béo, chất xơ và thường chứa vi khuẩn nội tại nên để một thời gian nó sẽ tự động hư hỏng thôi. Do đó, nếu đem các vật liệu tự nhiên như lá chuối, thực phẩm như bột gạo, bột khoai mì (cassava), bột mì, lá gelatin, bánh tráng, nui, vỏ tôm cua, lá cây, cỏ bàng ra làm vật liệu bao gói thì chắc chắn là chúng sẽ phân hủy sinh học được rồi, và sẽ có thể phân hủy tới cuối cùng là thành nước H2O và khí CO2, H2S, các hợp chất nitrogen, phosphate, tùy vào thành phần ban đầu. Nhiều loại vật liệu làm từ bột mì, bột gạo và bột khoai mì chỉ cần bỏ vào nước 1 thời gian nó sẽ hút nước, trương phồng (swelling) và hòa tan vào nước một cách hoàn toàn luôn (dissolve). Tuy nhiên, bạn thử nghĩ xem, với thời tiết nóng ẩm, mưa nhiều như ở Việt Nam thì liệu dùng túi bột gạo, túi bột mì, bạn có chắc sẽ đem hàng hóa an toàn về nhà được hay không?

Tiếp nữa, khả năng phân hủy sinh học của một vật liệu phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện môi trường mà nó được đưa đến bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ oxy, hoạt động của vi sinh vật. Cũng không có túi nilong nào có thể tự hủy được cả, bạn đừng nên gọi bất kỳ các loại bao bì, vật liệu nào là “tự hủy” – đó là một sự ảo tưởng của người tiêu dùng, hoặc sự đánh lừa của người bán hàng mà thôi. Nếu muốn vật liệu đó phân hủy, hãy cung cấp điều kiện thích hợp để nó phân hủy. Vậy điều kiện phân hủy là gì, đánh giá thế nào?

Các vật liệu phân hủy sinh học được phát triển để tận dụng hoạt động của vi sinh vật để giúp phân hủy thành các chất thấp phân tử (low-molecular weight), và chủ yếu được thiết kế để được xử lý tập trung bằng phương pháp ủ phân compost hoặc ủ kỵ khí (anaerobic digestion) tạo biogas. Nhiệt độ trong các bồn ủ compost công nghiệp hoặc bồn tiêu hóa digestion tank thường rất cao tầm 52 – 58oC, độ ẩm cao, chứa lượng lớn vi sinh vật hoạt động mạnh, nồng độ oxy cung cấp cũng phải cao (tức thoáng khí, tơi xốp) đối với bồn ủ compost, hoặc phải kín khí đối với ủ kỵ khí. Môi trường tự nhiên bên ngoài, nơi mà rất nhiều người chọn làm bãi đáp cho rác của họ, thì không như vậy. Các bãi rác lộ thiên, những khu chôn lấp, môi trường đất, nước mặt, nước biển có nhiệt độ thấp hơn rất nhiều, tầm 21 – 30 độ, nồng độ oxy cũng hạn chế, độ ẩm tương đối, và vi sinh vật cũng không nhiều, hoạt động cũng không mạnh như môi trường ủ phân compost hay ủ kỵ khí. Do đó, thời gian phân hủy của nhiều vật liệu phân hủy sinh học đã được thương mại hóa trong các điều kiện môi trường tự nhiên là rất dài.

Khả năng phân hủy sinh học của vật liệu được đánh giá và kiểm soát thông qua các tiêu chuẩn được ban hành bởi các cơ quan quản lý như ASTM, ISO, DIN, CEN, TÜV AUSTRIA, đòi hỏi vật liệu khi xử lý trong các điều kiện quy định trong tiêu chuẩn phải được chuyển hóa từ 60 – 90% trọng lượng ban đầu thành các chất thấp phân tử như khí CO2, CH4, nước, H2S, v.v. không độc hại cho môi trường trong thời gian từ 3 – dưới 6 tháng[4].

Ngoài những vật liệu có thể được chuyển hóa bởi hoạt động của vi sinh vật, hiện có một nhóm các loại nhựa khác cũng được quảng bá là có thể phân hủy là “oxo-degradable” hoặc “oxo-biodegradable”. Nhóm này là các vật liệu nhựa thông thường (PP, PE), được trộn thêm các phụ gia là các xúc tác muối kim loại hoặc enzyme để thúc đẩy quá trình phân rã, cắt mạch bằng oxy hóa, rồi khi trọng lượng phân tử xuống thấp hơn 500 thì vật liệu sẽ bắt đầu có thể được phân hủy bằng vi sinh vật. Tuy nhiên, khả năng phân hủy đến các chất thấp phân tử có vẻ không được như lời quảng cáo lắm do chúng cần được cung cấp đủ oxy cho quá trình phân rã và cũng đang tạo ra một mối nguy khác khi người tiêu dùng lầm tưởng rằng chúng đang phân hủy và tự do xả rác, gây ra một lượng lớn microplastic rò rỉ ra môi trường nên nhiều tổ chức đã đề nghị cấm sử dụng nhựa oxo-degradable trong bao bì[5].

Vậy có những loại vật liệu phân hủy sinh học nào và hiệu quả phân hủy của chúng ra sao?

Mình tìm được một tấm infographics về khả năng phân hủy của một số polymer trong các môi trường khác nhau, được thực hiện bởi một nhóm các viện nghiên cứu của Đức, Bỉ, Ý và Áo để các bạn tham khảo ha.

Vật liệu polymer phân hủy trong các điều kiện môi trường khác nhau – Infographics gốc tại đây.

Như các bạn cũng sẽ thấy, vật liệu phân hủy sinh học khá đa dạng, từ các loại nhựa tổng hợp như PLA, PBS, PBAT, PBSA, PHA, PHB, đến các loại polymer thiên nhiên như gỗ, lignin, cellulose, tinh bột mì, tinh bột khoai tây, khoai mì, rong, tảo biển, chitin, chitosan (vỏ tôm cá), đến cả các loại vật liệu biến tính từ thiên nhiên như cellulose acetate (đầu lọc thuốc lá). Vật liệu càng có cấu trúc tương tự như các loại polymer trong tự nhiên thì càng dễ phân hủy, càng biến tính nhiều thì càng khó phân hủy hơn và ngược lại. Và cái bảng này chỉ là để tham khảo thôi nha mọi người, hãy nhớ lại điều mà mình ghi lúc nãy, thời gian và khả năng phân hủy sinh học được quyết định bởi điều kiện môi trường và thành phần có bị thay đổi, biến tính nhiều hay không.

Các bạn nào làm việc với gỗ nhiều, dùng bàn chải tre, đũa gỗ, thớt gỗ sẽ nhận thấy rằng khi bị giữ lâu trong môi trường ẩm mốc, ngâm nước nhiều thì chúng sẽ dễ bị hư hại do nước xâm nhập và trở thành môi trường lý tưởng cho các vi sinh vật, nấm mốc phát triển. Do đó lúc nào người ta cũng khuyên rằng bạn cần phải bảo quản đồ gỗ ở nơi khô thoáng để tránh nấm mốc. Còn muốn bảo quản đồ gỗ lâu hơn thì thợ mộc thường phải sử dụng những loại sơn phủ bảo quản chống mối mọt như vẹc-ni và tất nhiên là sơn rồi thì đồ gỗ này rất lâu bị hỏng, có thể để đến vài năm hoặc vài chục năm.

Tuy vậy, trong gỗ có thành phần lignin, là một hợp chất có cấu trúc phức tạp, nhiều vòng thơm, đóng vai trò là chất keo kết dính sợi cellulose và hemicellulose, rất bền và rất khó phân hủy nên các sản phẩm có chứa lignin, lá cây, gỗ còn nguyên thành phần lignin cũng mất rất lâu để phân hủy hoàn toàn (lâu hơn 6 tháng). Các loại nhựa phân hủy sinh học được phát triển như PLA, PBS, PBAT, PBSA cũng chỉ có thể phân hủy trong một số điều kiện môi trường nhất định như ủ compost công nghiệp, ủ tiêu hóa kị khí.

Cho nên, vật liệu phân hủy sinh học là có thật, có tồn tại, tuy nhiên vấn đề là chúng thường có cơ tính, tính chất hóa học, khả năng gia công, hiệu quả về mặt chi phí kém hơn các vật liệu truyền thống như nhựa, do đó các hoạt động nghiên cứu phát triển vật liệu phân hủy sinh học vẫn đang diễn ra để rút ngắn khoảng cách này.

Vì bài dài quá nên mình cắt làm đôi ^^. Phần tiếp theo mình sẽ nói về “Mặt trái của những loại vật liệu phân hủy” nha.

[1] https://tuoitre.vn/coop-mart-tphcm-da-su-dung-tui-nilong-tu-huy-436060.htm

[2] Yin, G.-Z. and Yang, X.-M. (2020). Biodegradable polymers: a cure for the planet, but a long way to go. Journal of Polymer Research, 27(2).

[3] Food And Agriculture Organization Of The United Nations (2020). STATE OF FOOD SECURITY AND NUTRITION IN THE WORLD 2020: Transforming food systems for affordable healthy diets. S.L.: Food & Agriculture Org.

[4] Vogt, D. (n.d.). Biodegradable Polymers in Various Environments According to Established Standards and Certification Schemes – Graphic (PNG). [online] Renewable Carbon Publications. Available at: https://renewable-carbon.eu/publications/product/biodegradable-polymers-in-various-environments-according-to-established-standards-and-certification-schemes-graphic-png/ [Accessed 23 May 2021].

[5] https://www.european-bioplastics.org/bioplastics/standards/oxo-degradables/