Polytetrafluoroethylene (PTFE), thường được biết đến dưới tên thương mại là Teflon, là một loại polymer fluorocarbon nổi bật với khả năng chịu nhiệt, kháng hóa chất và tính trơ sinh học cao. Tuy nhiên, các đặc tính này khiến PTFE cực kỳ khó phân hủy, tạo ra thách thức lớn trong tái chế và gây tác động tiêu cực đến môi trường. Nghiên cứu mới của các nhà khoa học tại Viện Khoa học và Công nghệ Lượng tử Quốc gia Nhật Bản (QST) đã đưa ra phương pháp chiếu xạ chùm tia điện tử (electron beam – EB) ở nhiệt độ cao để phân hủy PTFE thành các sản phẩm có thể thu hồi và tái sử dụng. Cơ chế phản ứng, điều kiện thực nghiệm và tiềm năng ứng dụng công nghiệp của phương pháp này, mở ra hướng đi mới trong xử lý nhựa thuộc nhóm PFAS.
PTFE là polymer tổng hợp có đơn vị monomer là tetrafluoroethylene (TFE, C₂F₄). Nhờ vào liên kết C–F rất bền vững (năng lượng phân ly 485–552 kJ/mol), PTFE có khả năng chống lại hóa chất, giữ độ ổn định ở nhiệt độ cao (tới 260–280 °C), tính chất điện môi tốt và tương thích sinh học cao. Chính vì vậy, vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, y tế, ngành công nghiệp hóa chất và sản phẩm tiêu dùng như chảo chống dính. Tuy nhiên, cũng bởi tính bền đó, PTFE gần như không thể phân hủy trong điều kiện tự nhiên. Đây là một loại chất thuộc nhóm PFAS (“hóa chất vĩnh cửu”) đang gây lo ngại toàn cầu do tích lũy sinh học và độc tính lâu dài. Trong khi các polymer thông thường có thể xử lý bằng kỹ thuật nấu chảy hoặc ép phun, thì PTFE không thể tái chế theo các phương pháp này vì độ nhớt nóng chảy quá cao (~10⁹–10¹² Pa·s).
Hiện có hai phương pháp chính được nghiên cứu để xử lý PTFE là nhiệt phân (pyrolysis) và chiếu xạ ion hóa (radiolysis).
- Nhiệt phân (Pyrolysis):Nhiệt phân yêu cầu nhiệt độ rất cao, từ 500–800 °C để phân cắt liên kết C–F, tạo thành các khí như CO₂, CFO, CF₂O, CF₃, cùng với các fluorocarbon như HFP (C₃F₆), OFCB (C₄F₈). Tuy nhiên, phương pháp này tiêu tốn nhiều năng lượng, khó kiểm soát sản phẩm và phát thải phụ độc hại.
- Chiếu xạ điện tử (Electron Beam Irradiation): Khác với nhiệt phân, chiếu xạ chùm tia điện tử sử dụng năng lượng cao của electron để kích thích và ion hóa phân tử PTFE. Quá trình này gây phá vỡ các liên kết C–C và C–F, tạo ra gốc tự do (radicals) như C• và F•, từ đó khởi phát phản ứng phân hủy polymer. Nếu chiếu xạ trong môi trường có oxy, các gốc tự do tiếp tục phản ứng hình thành hợp chất oxy hóa như –COF, CO, CO₂.
Nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Akira Idesaki tại QST đã thực hiện chiếu xạ PTFE bằng chùm tia điện tử với liều 5.0–7.5 MGy ở các nhiệt độ khác nhau từ 30 °C đến 370 °C trong môi trường oxy. Mục tiêu là tăng hiệu quả phân hủy và giảm năng lượng tiêu thụ. Kết quả cho thấy, tỷ lệ phân hủy (mất khối lượng) tăng mạnh theo nhiệt độ:
- 18% ở 30 °C
- 33% ở 120 °C
- 64% ở 200 °C
- 91% ở 270 °C
- 100% ở 370 °C với liều 5.0 MGy
Khi giảm tốc độ liều từ 1.0 kGy/s xuống 0.1 kGy/s, liều yêu cầu để phân hủy 80% PTFE cũng giảm đáng kể. Điều này cho thấy hiệu suất phân hủy cao hơn ở tốc độ liều thấp, do thời gian phản ứng kéo dài hơn. Phân tích GC-MS (sắc ký khí – khối phổ) cho thấy các sản phẩm chủ yếu gồm:
- Fluorocarbon oxy hóa (CnF₂nOx) – có thể tái sử dụng làm nguyên liệu hóa học;
- Perfluoroalkanes và perfluoroalkenes – phục vụ công nghiệp fluoropolymer.
Cấu trúc còn lại và biến đổi tinh thể:
- Phân tích TGA, SEM-EDX và FT-IR cho thấy lượng oxy hóa tăng mạnh ở nhiệt độ cao;
- Kích thước tinh thể tăng từ 21 ± 2 nm (không chiếu xạ) lên 37 ± 5 nm (chiếu xạ 270 °C), cho thấy hiện tượng tái sắp xếp cấu trúc.
Phương pháp nhiệt phân truyền thống yêu cầu năng lượng tiêu thụ khoảng 2.8–4.0 MWh/tấn. Trong khi đó, kết quả từ QST cho thấy có thể giảm tới 50% năng lượng tiêu thụ nhờ kết hợp nhiệt và EB. Như vậy, đây là một giải pháp hiệu quả hơn về mặt năng lượng và thân thiện với môi trường. Kỹ thuật này mở ra triển vọng lớn trong:
- Tái chế chất thải PTFE công nghiệp trong sản xuất điện tử, y tế, hóa học;
- Xử lý chất thải PFAS khó phân hủy, hướng tới nền kinh tế tuần hoàn;
- Phát triển công nghệ tái chế điện tử và polymer hiệu năng cao.
Chiếu xạ chùm tia điện tử kết hợp nhiệt độ cao là một giải pháp đột phá giúp phân hủy hoàn toàn PTFE – loại nhựa bền vững và khó tái chế nhất. Không chỉ tạo ra sản phẩm khí có thể tái sử dụng, kỹ thuật này còn giảm đáng kể chi phí năng lượng so với các phương pháp hiện tại. Trong bối cảnh toàn cầu đang lo ngại về PFAS và ô nhiễm nhựa kỹ thuật cao, kết quả nghiên cứu này mở ra một hướng đi mới đầy hứa hẹn cho xử lý chất thải nhựa bền vững.
Từ khóa: chiếu xạ;
– CMD –
