Nghiên cứu khả năng tự phân hủy của polyme phế thải trong sự có mặt của một số kim loại chuyển tiếp (fe, mn, co)

Do vậy, để hạn chế tác động của nhựa phế thải đến môi trường đã có một số biện pháp được đưa ra như thay thế một phầnbằng nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo, tái sử dụng hoặc đưa thêm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

PHẠM THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TỰ PHÂN HỦY CỦA POLYME PHẾ THẢI TRONG SỰ CÓ MẶT CỦA MỘT SỐ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP (Fe, Mn, Co)

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Hà Nội: 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

PHẠM THỊ THU TRANG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TỰ PHÂN HỦY CỦA

POLYME PHẾ THẢI TRONG SỰ CÓ MẶT CỦA

MỘT SỐ KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP (Fe, Mn, Co)

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

Chuyên ngành: Hóa Hữu cơ

Mã số: 60440114 Người hướng dẫn : TS Nguyễn Thanh Tùng

Hà Nội: 2016

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, đề tài đã hoàn thành Tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Thanh Tùng - Phòng vật liệu Polyme, Viện Hoá học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong thời gian vừa qua Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong khoa Hoá học – Trường ĐHKHTN- ĐHQG Hà Nội, các anh chị đang công tác tại phòng vật liệu Polyme – Viện Hoá học, bạn bè, người thân đã

giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này

Hà Nội, 12 tháng 12 năm 2015

Phạm Thị Thu Trang

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 2

DANH MỤC CÁC BẢNG 3

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 6

1.1 Vấn đề nhựa phế thải đối với môi trường 6

1.2 Một số biện pháp quản lý nhựa phế thải 10

1.2.1 Ngăn ngừa và tái sử dụng nhựa phế thải 10

1.2.2 Tái chế 12

1.2.3 Thiêu đốt và chôn lấp 14

1.3 Xử lý nhựa phế thải bằng công nghệ oxo - biodegradation 18

1.3.1 Phụ gia xúc tiến oxi hóa và quá trình phân hủy của màng PE chứa phụ gia 22

1.3.2 Quá trình oxi hóa quang và nhiệt 23

1.3.3 Quá trình phân hủy sinh học của PE sau phân hủy giảm cấp 28

1.4 Ứng dụng của việc tái chế nhựa phế thải thành các sản phẩm tự phân hủy 34

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 37

2.1 Hóa chất và thiết bị 37

2.1.1 Hóa chất 37

2.1.2 Thiết bị 37

2.2 Các phương pháp tạo mẫu 37

2.2.1 Phương pháp tạo mẫu dạng tấm 37

2.2.2 Phương pháp tạo mẫu dạng màng 38

2.3 Các phương pháp phân tích đánh giá 38

2.3.1 Xác định tính chất cơ lý 38

2.3.2 Phổ hồng ngoại (FTIR) 39

2.3.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 39

2.3.4 Xác định chỉ số Cacbonyl (CI) 39

2.3.5 Nghiên cứu quá trình phân hủy oxi hóa quang nhiệt ẩm 39

2.3.6 Nghiên cứu quá trình phân hủy trong môi trường tự nhiên 40

2.4 Nội dung nghiên cứu 40

2.4.1 Nghiên cứu chế tạo màng polime tự hủy trên cơ sở nhựa PE phế thải và phụ

gia xúc tiến oxi hóa 40

2.4.2 Nghiên cứu quá trình phân hủy của màng polime tự phân hủy trong môi trường 41

2.4.3 Ứng dụng của bầu ươm cây tự hủy cho một số loài cây 42

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

3.1 Nghiên cứu chế tạo màng polime tự hủy trên cơ sở nhựa PE phế thải và phụ gia xúc tiến oxi hóa 43

3.1.1 Nghiên cứu lựa chọn thành phần nhựa nền 43

3.1.2 Nghiên cứu lựa chọn hàm lượng tinh bột 44

3.1.3 Nghiên cứu lựa chọn phụ gia xúc tiến oxi hóa 46

3.1.4 Nghiên cứu lựa chọn hàm lượng phụ gia xúc tiến oxi hóa 50

3.1.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ tổ hợp phụ gia coban stearat/ sắt stearat đến tính chất vật liệu 54

3.2 Nghiên cứu quá trình phân hủy trong môi trường của mẫu vật liệu 57

3.2.1 Nghiên cứu quá trình lão hóa tự nhiên 57

3.2.2 Nghiên cứu khả năng phân hủy sinh học của vật liệu 60

3.3 Ứng dụng của bầu ươm cây tự hủy cho một số loài cây 62

3.3.1 Giai đoạn ươm cây 63

3.3.2 Giai đoạn trồng thực tế 65

KẾT LUẬN 69

1

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Giải thích

CSMA Copolyme coban maleat – styren

ELV Chất thải từ các phương tiện vận tải hết hạn sử dụng

PHSH Phân hủy sinh học

POPs Chất hữu cơ bền gây ô nhiễm

SEM Kính hiển vi điện tử quét

WEEE Nhựa phế thải từ thiết bị điện, điện tử

2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sản lượng chất dẻo toàn thế giới từ 1978 đến 2050 (triệu tấn) 6

Hình 1.2 Phân bố sản lượng nhựa toàn thế giới 7

Hình 1.3 Biểu đồ phân loại chất dẻo 8

Hình 1.4 Nhu cầu sử dụng nhựa theo các lĩnh vực trong khối EU-27, Na Uy và Thuỵ Sĩ năm 2008 [8] 10

Hình 1.5 Các biện pháp xử lý nhựa phế thải ở Châu Âu giai đoạn 2006-2010 16

Hình 1.6 Cơ chế phân huỷ quang hoá PE 20

Hình 1.7 Phân huỷ oxi hoá theo cơ chế Norrish 21

Hình 1.8 Quá trình phân hủy của PE xúc tác bởi kim loại chuyển tiếp [26] 24

Hình 1.9 Cơ chế phân hủy sinh học của PE sau khi phân hủy oxi hóa [26] 30

Hình 2.1 Mẫu vật liệu đo tính chất cơ lý 38

Hình 3.1 Ảnh SEM hình thái học bề mặt của các tổ hợp nhựa nền 44

Hình 3.2 Ảnh SEM của các mẫu nhựa chứa tinh bột 46

Hình 3.3 Ảnh hưởng của loại phụ gia xúc tiến đến độ dãn dài khi đứt của các mẫu vật liệu 47

Hình 3.4 Ảnh hưởng của phụ gia xúc tiến đến chỉ số cacbonyl của các mẫu vật liệu 48

Hình 3.5 Phổ IR của mẫu PE-Fe ban đầu 49

Hình 3.6 Phổ IR của mẫu PE-Fe sau 288 giờ oxi hóa quang nhiệt ẩm 49

Hình 3.7 Ảnh hưởng của thời gian thử nghiệm mẫu đến độ dãn dài khi đứt của mẫu vật liệu 51

Hình 3.8 Ảnh hưởng của thời gian oxi hóa quang đến chỉ số CI của các mẫu 52

Hình 3.9 Ảnh SEM của các mẫu vật liệu sau 288 giờ oxi hóa quang nhiệt ẩm 53

Hình 3.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ phụ gia xúc tiến oxi hóa đến độ dãn dài khi đứt của vật liệu 55

Hình 3.11 Ảnh SEM của các mẫu vâ ̣t liê ̣u ban đầu và sau 288 giờ oxi hóa quang nhiệt ẩm 56

Hình 3.12 Độ dãn dài khi đứt của các mẫu vật liệu 58

Hình 3.13 Chỉ số cacbonyl của các mẫu màng 59

Hình 3.14 Ảnh SEM của mẫu CT1, CT2 ban đầu và sau 6 tháng thử nghiệm 60

Hình 3.15 Ảnh SEM các mẫu sau 6 tháng ngâm trong nước 61

Hình 3.16 Ảnh SEM các mẫu sau 6 tháng chôn trong đất 62

Hình 3.17 Mảnh bầu ươm thu gom sau 2 tháng trồng thực tế 67

Hình 3.18 Mảnh bầu ươm thu gom sau 3 tháng trồng thực tế 68

3

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tỷ lệ xử lý nhựa phế thải sau sử dụng theo lĩnh vực ở 27 nước EU, Na

Uy và Thụy Sỹ năm 2008 [5] 17

Bảng 1.2 Tổng quan các nghiên cứu quá trình phân hủy sinh học bằng các chủng vi khuẩn xác định và các tập đoàn vi khuẩn phức tạp 31

Bảng 3.1 Tính chất cơ lý của tổ hợp nhựa nền 43

Bảng 3.2 Tính chất cơ lý của các tổ hợp nhựa chứa tinh bột 45

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của phụ gia đến độ bền kéo của các mẫu vật liệu 47

Bảng 3.4 Ảnh hưởng của hàm lượng phụ gia đến độ bền kéo đứt của các mẫu 50

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ Co(II) stearat/Fe(III) stearat đến độ bền kéo đứt của vật liệu 54

Bảng 3.6 Độ bền kéo đứt của các mẫu màng (MPa) 57

Bảng 3.7 Tổn thất khối lượng của các mẫu khi ngâm trong nước (%) 60

Bảng 3.8 Tổn thất khối lượng của các mẫu khi chôn trong đất (%) 61

Bảng 3.9 Tốc độ sinh trưởng chiều cao của cây thông 63

Bảng 3.10 Tốc độ sinh trưởng chiều cao của cây bạch đàn 63

Bảng 3.11 Tốc độ sinh trưởng chiều cao của cây keo 64

Bảng 3.12 Quá trình phân hủy của bầu ươm 64

Bảng 3.13 Tỉ lệ sống của cây thông 65

Bảng 3.14 Tỉ lệ sống của cây keo 65

Bảng 3.15 Tỉ lệ sống của cây bạch đàn 66

Bảng 3.16 Sự phát triển của các loại cây sau 30 ngày 66

Bảng 3.17 Sự phát triển của các loại cây sau 90 ngày 67

Bảng 3.18 Diễn biến quá trình phân hủy sinh học của bầu ươm 68

4

MỞ ĐẦU

Nhựa tổng hợp đã trở thành một loại vật liệu quan trọng từ những năm 40 của thế kỷ trước và sau này vật liệu nhựa đã dần thay thế các vật liệu truyền thống trong nhiều ứng dụng như thủy tinh, gỗ, vật liệu xây dựng và thay thế cả kim loại trong các ứng dụng môi trường, thương mại, công nghiệp và dân dụng Các ứng dụng của nhựa trong đời sống không ngừng lan rộng do những tính năng ưu việt của chúng như bền, nhẹ, chịu nước và ổn định trong môi trường Nhựa tổng hợp nói chung và các poliolefin nói riêng là các vật liệu rất khó phân hủy trong môi trường Các phụ gia ổn định cho polyme trong quá trình gia công và sử dụng đã làm giảm mạnh tốc độ của quá trình phân hủy Ngoài ra, mức độ phân nhánh cao của các mắt xích trên mạch ngăn cản quá trình phân hủy bởi vi sinh vật Một yếu tố nữa khiến quá trình phân hủy sinh học chậm trễ của chất dẻo là sự hạn chế về khả năng hòa tan trong nước của nó Kích thước của đại phân tử polyme là rất lớn, nên các vi sinh vật không thể chuyển trực tiếp nó vào trong các tế bào

Ngày nay, môi trường đang phải chịu nhiều áp lực về rác thải rắn không phân hủy, trong đó các loại bao bì sản xuất từ nhựa (PE, PP ) chiếm một tỷ trọng đáng kể Trong điều kiện tự nhiên, các loại nhựa này không phân hủy hoặc phân hủy rất chậm, thời gian phân hủy có thể diễn ra hàng trăm năm Mặt khác, vai trò của vật liệu này đối với đời sống sản xuất và sinh hoạt là rất lớn, khó có thể thay thế Do vậy, để hạn chế tác động của nhựa phế thải đến môi trường đã có một số biện pháp được đưa ra như thay thế một phầnbằng nguồn nguyên liệu có khả năng tái tạo, tái sử dụng hoặc đưa thêm một số phụ gia vào công thức chế tạo với vai trò xúc tiến quá trình phân hủy

Hơn nữa, các sản phẩm đi từ nhựa phế thải và các phụ gia có nhiều ứng dụng trong nông, lâm nghiệp như làm màng phủ bồi, màng phủ nhà lưới, bầu ươm cây Với mong muốn góp phần giải quyết những bức xúc do thực tế đặt ra, chúng

polyme phế thải trong sự có mặt của một số kim loại chuyển tiếp (Fe, Mn, Co)”

* Nhiệm vụ cụ thể của luận văn đặt ra:

5

- Nghiên cứu chế tạo màng polime tự hủy trên cơ sở nhựa PE phế thải và phụ gia xúc tiến oxi hóa

- Nghiên cứu quá trình phân hủy của màng polime tự hủy trong môi trường

- Ứng dụng của bầu ươm cây tự hủy cho một số loài cây

6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Vấn đề nhựa phế thải đối với môi trường

Chất dẻo đóng vai trò quan trọng gần như không thể thiếu được trong thế giới hiện đại Chúng được phát hiện và được xem là những vật liệu đặc biệt đa dạng, có nhiều ứng dụng hữu ích cho đời sống con người từ những năm 50 của thế

kỷ 20 Ngành công nghiệp chất dẻo phát triển song song với nhu cầu tiêu thụ không ngừng tăng theo dân số cũng như những ý tưởng công nghệ mới tạo ra vật liệu có hiệu quả sử dụng tối đa Sản lượng chất dẻo toàn thế giới tăng từ 1,5 triệu tấn năm

1950 lên 245 triệu tấn năm 2008, tốc độ tăng bình quân 3,5%/năm Chỉ tính riêng năm 2011, sản xuất chất dẻo toàn cầu tăng 3,7% [1]

Như hầu hết các loại vật liệu, sản lượng chất dẻo trên thế giới ước tính đã giảm từ 245 triệu tấn năm 2008 xuống còn khoảng 230 triệu tấn trong năm 2009 do nguyên nhân khủng hoảng kinh tế Tuy nhiên trong vòng 50 năm qua, đã có sự tăng trưởng rất đáng kể trong sản xuất chất dẻo, đặc biệt là châu Á Sản lượng của EU chiếm khoảng 25% (trong đó Đức chiếm 8%) và riêng Trung Quốc chiếm 15% sản lượng chất dẻo toàn thế giới

Hình 1.1 biểu diễn sản lượng nhựa trên toàn thế giới từ năm 1978 đến 2050 Sản lượng nhựa trên thế giới không ngừng gia tăng từ năm 1978 đến năm 2010, đặc biệt tốc độ phát triển mạnh nhất là trong giai đoạn 2002-2010 Dự kiến đến năm

2050 tổng sản lượng chất dẻo trên toàn thế giới có thể đạt 400 triệu tấn

Hình 1.1 Sản lượng chất dẻo toàn thế giới từ 1978 đến 2050 (triệu tấn)

7

(Bao gồm nhựa nhiệt dẻo, nhiệt rắn, elastome, keo dán, sơn và lớp phủ, matit

và sợi PP; không bao gồm PET, PA và sợi poliacryl)

Hình 1.2 Phân bố sản lượng nhựa toàn thế giới

Năm 2011, 47 triệu tấn chất dẻo được sử dụng ở EU-27, Norway và Switzerland 18,5 triệu tấn hay 39% trong số đó được sử dụng làm vật liệu bao bì, 21% làm vật liệu xây dựng, 8% sử dụng trong ngành công nghiệp xe hơi và 5% sử dụng trong công nghiệp điện và điện tử Trong 47 triệu tấn chất dẻo thì 13,6 triệu tấn (29%) là PE, 19% là PP và 11% là PVC PS, PET, poliurethane (PUR) cũng được sử dụng rộng rãi Tỷ lệ chất dẻo sinh học ước tính chiếm khoảng 0,1 đến 0,2% (khoảng 0,1 triệu tấn) mỗi năm [2] Phát sinh nhựa thải ở EU-27, Norway và Switzerland năm 2008 là 24,9 triệu tấn Riêng bao bì phế thải chiếm 62% (15,3 triệu tấn) [3] Do đó tỷ lệ bao bì trong nhựa phế thải cao hơn đáng kể so với nhu cầu sử dụng nhựa Điều này có thể do hai nguyên nhân:

- Thời gian sử dụng bao bì thường ngắn hơn so với các ứng dụng khác Trong khi vật liệu bao bì thường trở thành phế thải chỉ trong vòng 1 năm hoặc ngắn hơn, thì nhựa được sử dụng trong lĩnh vực khác ví dụ trong công nghiệp xe hơi thường kéo dài từ 10 đến 20 năm

- Hệ thống thu gom riêng và các số liệu thống kê đối với phế thải bao bì chất dẻo hoàn chỉnh, đầy đủ hơn những loại nhựa thải khác

Các nước còn lại của Châu Á 17%

Trung Quốc 15%

Nhật Bản 7%

Mỹ Latinh 4%

NAFTA 23%

Bắc Phi 8%

CIS 3%

Các nước khác EU-27+N+CH 5%

Belarus 4%

Pháp 3%

Italia 2%

Anh 2%

Tây Ban Nha 2%

Đức 8%

8

Hình 1.3 Biểu đồ phân loại chất dẻo

Có sự khác biệt lớn về phát thải bao bì chất dẻo bình quân theo đầu người ở các nước EU Trong năm 2010, dao động từ 11kg/người (ở Bulgaria) và 44kg/người (ở Luxembourg) Dân số thế giới đang bùng nổ và ước đạt 9 tỷ người vào năm

2050, là bằng chứng xác thực cho thấy sự tăng trưởng của thị trường chất dẻo sẽ không dừng lại trong tương lai [4,5]

Để phát huy tính năng, chất dẻo truyền thống chứa một lượng lớn, đôi khi là một tỉ lệ lớn các phụ gia hóa học có thể gây rối loạn nội tiết, ung thư, hoặc các tác động độc hại khác Những phụ gia này, về nguyên tắc, có thể di chuyển vào môi trường mặc dù với lượng rất nhỏ [6] Mặc dù đã rất nỗ lực để loại bỏ các chất độc hại trong sản xuất nhựa nhưng các chất chống cháy dẫn xuất brom hay các chất hóa dẻo phtalat vẫn được sử dụng bởi không dễ dàng thay thế chúng bằng các chất ít nguy hiểm hơn

Bởi độ bền đáng kể của sản phẩm nhựa mà một số lượng đáng kể các chất thải nhựa tích tụ trong các bãi chôn lấp và môi trường sống tự nhiên trên toàn thế giới, ví dụ như rác trên biển Hầu hết rác thải nhựa trên biển đều có nguồn gốc từ đất liền do dòng chảy nước mưa, cống tràn, rác thải du lịch, đổ thải bất hợp pháp, các hoạt động công nghiệp, vận chuyển trái phép, các sản phẩm mỹ phẩm của người tiêu dùng, sợi polieste hay axylic từ quần áo Tổng lượng chất thải ở Đại Tây

9

Dương và Thái Bình Dương ước tính 100 nghìn tấn, khoảng 80% là chất dẻo Các chất gây ô nhiễm hữu cơ bền (POPs), như thuốc trừ sâu DDT và polichlorinated biphenyls (PCBs) có thể kết hợp với nhau từ môi trường nước xung quanh lên các mảnh nhựa (micro plastics) Chúng có thể thâm nhập vào chuỗi thức ăn thông qua các động vật biển và tích tụ trong người tiêu dùng thực phẩm cuối cùng [6]

Thực tế ở một số nơi, đặc biệt là ở miền Nam và miền Đông châu Âu, một số lượng đáng kể các chất thải vẫn chất đống trên các bãi rác bất hợp pháp, không tuân thủ quy định của EU Ví dụ, ở Cyprus, 6 bãi rác bất hợp pháp vẫn được duy trì sử dụng đến năm 2015 [7]

Nhựa nhiệt dẻo là loại polime tổng hợp được sản xuất nhiều nhất, chiếm 65% sản lượng chất dẻo toàn thế giới Chúng được thải ra môi trường do sự vô ý thức của con người dẫn đến ô nhiễm môi trường toàn cầu, làm giảm diện tích chôn lấp đối với nhựa phế thải và làm chậm quá trình phân huỷ của rác từ chất dẻo trong môi trường Theo số liệu của Cục Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA), khoảng 250 triệu tấn chất thải rắn được thải ra ở Mỹ năm 2008 Trong đó chất dẻo chiếm 12% (khoảng 30 triệu tấn) Nếu phân loại theo loại sản phẩm thải thì vật liệu túi, bao bì chiếm tỷ lệ lớn nhất 31% (khoảng 77 triệu tấn) Các poliolefin như polietilen (PE), polipropilen (PP) là những vật liệu bao bì quan trọng do chúng có những tính chất kết hợp như độ mềm dẻo, tính chất che chắn tốt và trơ với các tác động bên ngoài như nhiệt, bức xạ, hoá chất và vi sinh vật nhưng vấn đề môi trường cũng là thách thức khi đẩy mạnh sử dụng loại nhựa này bởi chúng không dễ dàng phân huỷ Trong môi trường tự nhiên quá trình phân huỷ có thể tính bằng đơn vị thế kỷ [8,9] Polietilen có tỷ lệ sản lượng cao nhất trong các loại polime, trong đó bốn lĩnh vực chiếm tới 72% nhu cầu sử dụng nhựa là: bao bì, xây dựng, công nghiệp xe hơi và thiết bị điện và điện tử Còn lại là các lĩnh vực như đồ gia dụng, nội thất, nông nghiệp và thiết bị y tế Vấn đề môi trường liên quan đến việc quá lệ thuộc vào bao

bì polietilen đã khiến cộng đồng các nước trên thế giới lo ngại Biện pháp để đối phó với vấn đề này là phải biến các chất dẻo thành các sản phẩm dễ phân huỷ,

1.2 Một số biện pháp quản lý nhựa phế thải

Nhiều kỹ thuật và phương pháp được phát triển để giảm thiểu những tác động tiêu cực của nhựa và chất thải nhựa đến môi trường và tăng hiệu quả sử dụng nhựa Theo hệ thống phân loại chất thải khung EU (2008/98/EC), các kỹ thuật này

có thể được phân loại như sau:

- Các biện pháp ngăn ngừa

- Các biện pháp tái sử dụng

- Tái chế vật liệu nhựa

- Thiêu đốt có sử dụng năng lượng

- Tàng trữ trong các bãi chôn lấp phù hợp

1.2.1 Ngăn ngừa và tái sử dụng nhựa phế thải

Một nền kinh tế hiệu quả về tài nguyên là một nền kinh tế đáp ứng các nhu cầu ở mức tác đông đến môi trường thấp và tiêu thụ nguồn tài nguyên thiên nhiên thấp Để tạo ra một nền kinh tế hiệu quả về tài nguyên câu hỏi đầu tiên là những nhu cầu nào chúng ta thường muốn đáp ứng và nhiệm vụ tiếp theo là tìm các phương án bổ sung để:

- Đáp ứng nhu cầu bằng các dịch vụ không sử dụng hoặc tiêu hao sản phẩm

11

- Giới thiệu các sản phẩm thân thiện sinh thái

- Tối ưu hóa quy trình sản xuất

- Giảm thiểu tác động môi trường của việc khai thác và vận chuyển nguyên liệu sơ cấp

Trên quan điểm ngăn ngừa chất thải, thân thiện sinh thái có nghĩa là:

- Chứa ít hoặc không chứa các chất độc hại

- Sử dụng các vật liệu có thể tái chế sau khi sử dụng

- Dễ duy trì và sửa chữa

Tại châu Phi, việc cấm sử dụng các loại bao bì không có khả năng phân huỷ sinh học đang trở thành một làn sóng mạnh mẽ Từ giữa năm 2011, tại Kigali, thủ

đô Rwanda, Cộng đồng Đông Phi (EAC) đã thông báo sẽ đưa ra một đạo luật cấm

sử dụng túi nhựa tại 5 nước thành viên Như vậy, Cộng đồng này đang tấn công vào một thị trường có mức lợi nhuận ước tính 4 tỷ euro/năm tại châu Phi

Hai sản phẩm công nghệ thay thế (nhìn chung đều có chứa các thuộc tính của những bao bì hiện nay) đang gây nhiều tranh cãi Giải pháp công nghệ đầu tiên sử dụng toàn bộ hoặc một phần các nguyên liệu thực vật từ tinh bột ngô hoặc khoai tây

để làm túi ni lông Chỉ có điều giá của nó cao hơn 30% so với một túi ni lông cổ điển và tạo ra sức ép đối với các cây lương thực khi phải trồng trên quy diện rộng Chẳng hạn, để sản xuất 200.000 tấn "nhựa sinh học" này, cần phải mất từ 250.000 đến 300.000 tấn nguyên liệu thực vật

Công nghệ thứ hai mang tên "phân huỷ sinh học oxo" có vẻ chiếm ưu thế hơn tại châu Phi Các công ty P-Life của Nhật, EPI của Mỹ hoặc Symphony Plastics

12

của Anh đang chạy đua để giành lấy thị trường này Giải pháp họ đưa ra là cho thêm một chất phụ gia hoá học chiếm tỷ lệ 1% bao bì bằng nhựa cho phép phá vỡ chuỗi phân tử sau 1-3 năm Kết quả: túi nilông vứt ra tự nhiên sẽ tự phân huỷ Nó có thể hoàn toàn được các vi sinh học hấp thụ vào trong đất hoặc nước Thị trường tiềm năng cho chất liệu này tại châu Phi ước tính trên 330 triệu euro mỗi năm

Tại Maroc, nơi tiêu thụ 3 tỷ túi ni lông/năm, công ty Symphony Plastics đã giành được một thị phần mỗi năm 1 tỷ euro Từ 1 năm nay, tập đoàn Label’Vie sở hữu thương quyền của tập đoàn siêu thị Carrefour (Pháp) tại Maroc đã mua lại công nghệ "phân huỷ sinh học oxo" để sản xuất túi ni lông Chi phí sản xuất tăng thêm tối

đa từ 10 đến 15% Theo các chuyên gia, rất khó thay thế một vật liệu bền, kín và không nguy hiểm cho sức khoẻ như nhựa

Một số yếu tố hạn chế kĩ thuật và tiềm năng kinh tế của việc tái chế nhựa là:

- Không phải tất cả các sản phẩm nhựa được lưu hành trên thị trường EU đều

ở đó Ví dụ các xe cũ hoặc các thiết bị điện có các bộ phận bằng chất dẻo được xuất khẩu để sử dụng thêm ở các nước khác Năm 2008, khoảng 60% số xe hết hạn đăng kiểm ở Úc và Đan Mạch không được nhập vào hệ thống quản lý chất thải mà đã được đưa ra nước ngoài Ở Thụy Điển, con số này lên đến 84% [12]

- Một số loại nhựa (như PUR) phải sử dụng các quá trình hóa học để tái chế

ở mức cao hơn Tuy nhiên, với mức độ đầu tư và tiêu thụ năng lượng như vậy chỉ có các nhà máy quy mô rất lớn mới mong đợi có thể làm được

13

- Nhiều người sử dụng các sản phẩm mới tiềm năng miễn cưỡng mua các sản phẩm chứa vật liệu tái chế Ví dụ các vật liệu xây dựng cho các công trình công cộng

- Chất lượng tái chế tốt nhất có thể đạt được với các vật liệu nhựa đồng thể

Vì vậy, nhựa cần được tách không chỉ từ các vật liệu khác nhau mà còn từ các loại nhựa khác nhau cần được phân chia riêng rẽ

- Chất lượng của vật liệu tái chế càng thấp thì tỷ lệ vật liệu tái chế có thể sử dụng trong sản phẩm mới càng thấp

Để giải quyết những hạn chế ở trên, nhiều phương pháp đã được đề xuất Một số phương pháp nổi bật là:

- Một quy định được đưa ra cho phép xuất khẩu các sản phẩm đã qua sử dụng chỉ khi các tiêu chuẩn quản lý chất thải ở nước nhập khẩu đáp ứng tiêu chuẩn

EU

- Tiêu chuẩn chất lượng nghiêm ngặt cho các vật liệu tái chế được đưa ra được kiểm soát bởi giấy chứng nhận của bên thứ ba Điều này được kết hợp với nghĩa vụ của công chúng phải mua các sản phẩm chứa một tỷ lệ nhất định vật liệu tái chế

- Mở rộng hệ thống trách nhiệm của nhà sản xuất được đưa ra để thu hồi các sản phẩm nhựa và do đó cho phép tách riêng chất thải nhựa khỏi chất thải khác

- Các hệ thống đặt cọc – hoàn trả để đưa ra ưu đãi cho những người tiêu dùng chuyển lại các sản phẩm hoặc vật liệu nhựa có khả năng tái sử dụng Hiệu quả của một hệ thống như vậy có thể xuất phát từ thực tế là tỷ lệ tái chế các lon nhôm tại Estonia (đặc trưng cho hệ thống đặt cọc – hoàn trả) đạt 59%, trong khi ở nước Latvia (đặc trưng cho hệ thống thu gom tại vỉa hè) chỉ đạt 30% [13]

Như vậy có thể kết luận rằng tiềm năng kinh tế về tỉ lệ tái chế chất thải nhựa cao hơn nhiều so với 33% đã đạt được

Ngành công nghiệp tái chế nhựa châu Âu gồm khoảng 1000 công ty, cung cấp việc làm cho khoảng 30.000 nhân viên và có khả năng xử lý khoảng 3 triệu tấn

xử lý bằng cách đem đốt và 10% còn lại được tái chế [15] Từ đó thấy rằng mặc dù giải pháp tái chế để giảm nguồn chất thải này là rất đáng khuyến khích thế nhưng nó vẫn chưa đóng vai trò là giải pháp xử lý chính do còn nhiều khó khăn, đặc biệt là kinh phí Vì thế hai biện pháp là chôn lấp và đốt vẫn được tiến hành rộng rãi Tuy nhiên hiệu quả xử của các biện pháp này có tính ưu việt khá khiêm tốn Trước hết

nó làm giảm diện tích đất đai, làm giảm tính chất đất, nhất là dung tích hấp thụ Nhựa đem chôn lấp có thời gian phân hủy rất chậm, những số liệu thống kê gần đây cho thấy các chất thải được coi là có khả năng tự phân hủy cũng có tốc độ khá chậm, ví dụ như giấy Những phân tích được tiến hành trên đất tại các khu vực chôn lấp nhựa phế thải cho thấy có xuất hiện các loại hóa chất được sử dụng để hóa dẻo như di(2-etylhexyl) phtalat

Xử lý bằng phương pháp đốt là cách thức phổ biển thứ hai sau biện pháp chôn lấp Đốt rác thải nói chung và phế thải nhựa nói riêng không cần đầu tư nhiều

về vốn cũng như về thiết bị, là biện pháp dễ làm Tuy nhiên cùng với đó là vấn đề ô nhiễm phát sinh Trong quá trình đốt nhiều loại khí thải có hại thoát ra, trong đó

15

đáng nói đầu tiên là khí HCl khi đốt nhựa PVC hoặc một số polime clo hóa khác Bên cạnh đó là phát thải dioxin, một loại khí rất độc hại và có khả năng gây ung thư [16]

Trước tình hình đó, nhiều nghiên cứu tái chế nhựa nhằm giảm thiểu ô nhiễm

từ phế thải này đã được tiến hành như biến tính sản phẩm nhằm giảm lượng nhựa sử dụng, thay thế các thành phần độc hại trong sản phẩm nhựa, thu gom phế thải nhựa

và tái sản xuất…Theo ước tính tới năm 1990 thì chỉ có khoảng 1% lượng phế thải nhựa được tái sinh Một số công nghệ tái chế sử dụng nguyên liệu nhựa đầu vào tương đối đồng nhất và có khả năng cạnh tranh tốt với các sản phẩm từ nhựa nguyên sinh Công nghệ này hứa hẹn sẽ đem lại nhiều tiềm năng trong việc xử lý chất thải Một số công nghệ tái chế khác có đầu vào là hỗn hợp có tiềm năng và lợi thế lớn về lượng nguyên liệu nhưng tính cạnh tranh so với sản phẩm từ nhựa nguyên sinh là không cao Tại Phần Lan, lượng nhựa tiêu thụ năm 2002 vào khoảng 475.000 tấn và lượng nhựa phế thải là 217.000 tấn Trong đó phần được tái sinh chiếm 9,7% và phần thu hồi để chuyển thành năng lượng chiếm 21% [17] Tại nước này thì phần lớn phế thải nhựa được thu hồi và chuyển thành năng lượng Tại Phần Lan thì quá trình đốt nhựa được tận dụng để cung cấp nhiệt cho ngành nhiệt điện và nhiên liệu sử dụng để đốt thường là gỗ phế liệu hoặc than bùn Trong quá trình sàng lọc nguyên liệu đầu vào để tiến hành đốt, các loại nhựa PVC và nhựa được clo hóa được loại bỏ nhằm tránh tình trạng ô nhiễm HCl và dioxin

Vấn đề xử lý nhựa phế thải sau khi sử dụng đã và đang thu hút được nhiều quan tâm của các nước trên thế giới Hình 1.5 là biểu đồ mô tả tình hình xử lý nhựa phế thải của các nước thuộc khối liên minh châu Âu giai đoạn 2006-2010

16

Hình 1.5 Các biện pháp xử lý nhựa phế thải ở Châu Âu giai đoạn 2006-2010

Kết quả cho thấy tổng lượng chất thải nhựa hàng năm trong giai đoạn

2006-2010 vẫn giữ ở mức ổn định (24,1-24,9 triệu tấn) Các biện pháp xử lý nhựa phế thải ở đây là chôn lấp, tái sử dụng, đốt để thu hồi năng lượng và tái chế trong đó biện pháp được sử dụng nhiều nhất và có xu hướng tăng đó là tái sử dụng Biện pháp chôn lấp có xu hướng giảm dần do biện pháp này chỉ là giải pháp tình thế, không có tính chất lâu dài do nhựa phế thải gần như không bị phân hủy trong môi trường do đó quỹ đất dùng cho chôn lấp đòi hỏi phải rất lớn Qua biểu đồ cũng chỉ

ra rằng hai biện pháp là đốt và tái chế đang có xu hướng tăng nhẹ qua các năm

Việc phân biệt giữa nhựa phế thải chưa qua sử dụng và nhựa phế thải đã qua

sử dụng là rất quan trọng Nhựa thải chưa qua sử dụng là những vật liệu thải ra từ công nghiệp mà không đưa trở lại dây chuyền sản xuất Loại chất thải này hiện đang được tái chế ở một mức độ lớn hơn so với nhựa thải sau khi sử dụng vì nó tương đối tinh khiết, có sẵn với khối lượng lớn và thường được cung cấp bởi một số ít các nguồn

Phân loại tình hình xử lý nhựa phế thải theo ngành nghề cũng được thống kê

Tỷ lệ tái chế nhựa đạt 21,3% năm 2008, giúp tổng lượng thu hồi (thu hồi năng

Chôn lấp (%)

Tái sinh

cơ học (%)

Tái sinh thành nhiên liệu (%)

Thu hồi năng lƣợng (%)

Do bao bì chất dẻo có hệ thống thu hồi và tái chế chất thải đƣợc xây dựng lâu đời nhất nên hiển nhiên rằng tỷ lệ tái chế của nó cao hơn so với các nguồn khác (28,5% tái chế cơ học, 0,45% tái chế nguyên liệu) Tiếp theo là nhựa phế thải nông nghiệp có tỷ lệ tái chế 21,1% Mặc dù không chịu bất cứ quy định trực tiếp nào của luật pháp phải tăng quá trình thu hồi, những lý do về kinh tế cùng với sự phổ biến

18

của nguồn nguyên liệu đồng nhất này giúp giải thích cho tỷ lệ tái chế cao Mặc dù nguồn nhựa phế thải từ thiết bị điện, điện tử (WEEE) và xây dựng (C&D) có tỷ lệ tái chế tương đối thấp nhưng lại có tỷ lệ thu hồi năng lượng tương đối cao, tương ứng là 36,2 và 35,0% Về tổng thể, tổng lượng thu hồi đạt cao nhất đối với bao bì nhựa phế thải là 59,8% và thấp nhất là ELV, chiếm 19,2%

Ở các quốc gia phát triển người ta phân biệt rạch ròi công việc tái chế sơ cấp

và thứ cấp Chất thải nhựa sơ cấp được phát sinh trong quá trình sản xuất và chế tạo sản phẩm Đặc điểm của chất thải sơ cấp là chất lượng tốt, có độ tinh khiết cao, phù hợp với tiêu chuẩn chế tạo sản phẩm như là nguyên liệu mới ban đầu Chất thải thứ cấp là những chất thải nhựa không thuộc lĩnh vực sản xuất công nghiệp Chúng không tinh khiết, có thể bị nhiễm bẩn, và là hỗn hơp của nhiều loại nhựa khác nhau Chất lượng của loại nhựa chế tạo từ chất thải nhựa thứ cấp này sẽ kém hơn và khả năng chấp nhận của thị trường đối với sản phẩm này là thấp hơn

Theo các số liệu thống kê của Eurostat [3] ngoài 33% chất thải bao bì nhựa, gần 29,1% đã được đốt để thu hồi năng lượng ở EU vào năm 2010 Phần lớn lượng chất thải còn lại 37,7% (5,6 triệu tấn) được chôn lấp

1.3 Xử lý nhựa phế thải bằng công nghệ oxo - biodegradation

Thông thường, polyolefin được xem là không có khả năng phân hủy sinh học bởi 3 lý do Thứ nhất: đặc tính kị nước của poliolefin khiến cho vật liệu này không

bị thủy phân Thứ hai: việc sử dụng các chất chống oxy hóa và chất ổn định trong quá trình sản xuất khiến poliolefin không bị oxy hóa và phân hủy sinh học [18] Thứ ba: poliolefin có khối lượng phân tử (KLPT) cao, từ 4000 đến 28000 Bởi vậy, để khiến cho chúng có khả năng phân hủy sinh học thì tất cả các yếu tố này cần phải được xem xét Nghiên cứu của Bonhomme [19] chỉ ra rằng để có thể phân hủy sinh học thì KLPT của polyolefin phải nhỏ hơn 500 Như vậy, nguyên lý để làm cho poliolefin có khả năng phân hủy sinh học liên quan đến việc bổ sung các phụ gia đặc biệt vào poliolefin tổng hợp sao cho vật liệu biến tính có khả năng phân hủy quang và hóa Như vậy, mạch cacbon dài bị bẻ gãy thành các mảnh ngắn hơn và KLPT của chúng giảm xuống dưới 500 Sau đó các vi sinh vật có thể đồng hóa các sản phẩm

Với các sản phẩm thương mại, poliolefin tổng hợp không bị oxi hóa và phân hủy sinh học bởi sự có mặt của các chất chống oxi hóa và chất ổn định Sử dụng phụ gia xúc tiến oxi hóa khiến cho poliolefin có khả năng phân hủy oxo- biodegradable Trước tiên, hoạt động của phụ gia xúc tiến oxi hóa có thể làm thay đổi đặc tính bề mặt của poliolefin, từ kị nước chuyển thành ưa nước Thứ hai, phụ gia xúc tiến oxi hóa xúc tác quá trình bẻ gãy mạch dài của poliolefin và tạo ra các sản phẩm có KLPT thấp hơn trong quá trình nhiệt phân và quang phân

Nhựa phân huỷ sinh học hay oxo- biodegradation được mô tả qua 2 giai đoạn phân huỷ [20]:

- Giai đoạn đầu là phản ứng của oxi trong không khí với polime, các mạch polime bị cắt nhỏ (tạo thành oligome) là kết quả của quá trình oxi hoá, giai đoạn này không có mặt của các vi sinh vật làm nhiệm vụ oxi hoá (abiotic oxidation), việc sử dụng oxi sẽ biến các mạch polime hình thành các nhóm chức như cacbonyl, cacboxyl, este, andehit, ancol Từ một polime kị nước sẽ xuất hiện các nhóm chức ưa nước tạo điều kiện cho việc phân huỷ các polime dễ dàng hơn

- Giai đoạn hai là phân huỷ sinh học bởi sự oxy hoá của các vi sinh vật như nấm,

vi khuẩn Chúng sẽ phân huỷ các mạch oligome còn lại thành CO2 và H2O

Giai đoạn đầu là giai đoạn quan trọng nhất vì nó quyết định toàn bộ quá trình Trong giai đoạn này, quá trình phân huỷ sinh học giảm cấp có thể diễn ra nhanh hơn khi

có mặt tia UV (phân huỷ quang hoá) hoặc nhiệt (phân huỷ nhiệt)

20

Giai đoạn đầu hay còn gọi là giai đoạn giảm cấp quang hoá liên quan đến khuynh hướng tự nhiên đối với hầu hết các loại polime khi trải qua quá trình phản ứng từ từ với oxi trong không khí với sự trợ giúp của ánh sáng, thông thường các tác nhân nhạy sáng dược sử dụng để tăng tốc so với xu hướng tự nhiên (mất vài thập niên) Cơ chế của quá trình giảm cấp quang hoá liên quan đến sự hấp thụ bức xạ UV và sau đó tạo ra các gốc tự

do Một quá trình tự oxi hoá diễn ra sẽ phân huỷ tận cùng các loại polime Người ta tin tưởng rằng sự có mặt thường trực của các nhóm cacbonyl hoặc hidropeoxit trong quá trình chế tạo hoặc gia công sẽ làm cho poliolefin không bền, dựa vào đặc điểm này để có thể điều khiển quá trình phân huỷ Nhóm hidropeoxit (-CH-OOH) là sản phẩm đầu tiên của quá trình oxi hoá và không bền dưới tác dụng của nhiệt và ánh sáng Sau đó nó sẽ tạo thành các sản phẩm polime có chứa các nhóm ưa nước có thể tan trong nước, làm cho poliolefin dễ phân huỷ hơn Các nhóm xeton có thể đứt đồng ly theo hai cơ chế Norrish I hoặc Norrish II [20]

Hình 1.6 Cơ chế phân huỷ quang hoá PE

21

Hình 1.7 Phân huỷ oxi hoá theo cơ chế Norrish

Ngoài ra còn có quá trình giảm cấp nhiệt (phân huỷ nhiệt), cơ chế phân huỷ nhiệt tương tự như phân huỷ quang hoá, tuy nhiên tốc độ phân huỷ nhiệt phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ

Không giống như PVC, các vật liệu được sản xuất từ các chất dẻo phân huỷ sinh học theo quy trình oxo đều không chứa clo hữu cơ Các chất dẻo này cũng không phát thải metan hay nitơ oxit dưới điều kiện hiếu khí và kị khí Các sản phẩm chất dẻo phân huỷ sinh học oxo có thể sản xuất trên cùng loại thiết bị như đang sử dụng đối với chất dẻo thông thường, do đó không cần phải trang bị lại nhà máy hay đào tạo lại nhân công

Các kết quả thử nghiệm đã chứng minh rằng chất dẻo từ quy trình phân huỷ oxo không tạo ra chất trung gian hay tích luỹ những tác động bất lợi lên đất Chất dẻo từ quy trình phân huỷ sinh học oxo có những ưu điểm sau:

+ Chất dẻo này sẽ phân huỷ ở bất cứ môi trường trong nhà hay ngoài trời, thậm chí là không cần có nước Đây là một yếu tố quan trọng liên quan đến rác thải

vì một số lượng lớn chất dẻo phế thải không thể thu gom được

+ Có thể được tiến hành tại nơi sản xuất để phân huỷ theo trình tự cho phù hợp với yêu cầu của người sử dụng

+ Giá thành không cao

+ Ít mất diện tích để lưu trữ và vận chuyển, đỡ tốn nguyên liệu cho sản xuất + Chất dẻo có thể trong suốt nên rất thích hợp làm bao bì đồ gia dụng, thực phẩm

+ Có thể được tái chế và sử dụng lại

+ Chất thải có thể chuyển thành compost

22

Ngoài ra, loại chất dẻo này còn có một số ưu điểm khác như: khá bền dai, không chứa những thành phần biến đổi về mặt di truyền hoc, không phát thải metan, không có clo hữu cơ, an toàn khi tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm, bền ở nhiệt độ thấp và có thể giữ được một thời gian lâu ở nhiệt độ dưới 00C nên rất lý tưởng đối với thực phẩm đông lạnh Chất dẻo phân huỷ sinh học oxo đã được áp dụng tốt cho các sản phẩm: túi đựng hàng hoá, túi đựng rác, túi đựng phế thải hữu

cơ, túi đựng chất thải động vật thu gom ở công viên, vườn hoa, túi đựng quần áo giặt là ở bệnh viện, găng tay Các chất dẻo này có thể đáp ứng tiêu chuẩn ASTM D6954-04 của Hoa Kỳ, tiêu chuẩn 8472 của Anh, tiêu chuẩn EN 13432 của châu

Âu Hiện nay các chất dẻo tự huỷ (phân huỷ sinh học oxo) sản xuất chủ yếu từ poliolefin đang được chấp nhận rất rộng rãi trên toàn thế giới [20]

1.3.1 Phụ gia xúc tiến oxi hóa và quá trình phân hủy của màng PE chứa phụ gia

Một giải pháp khả thi để chuyển các bao bì PE thành vật liệu có khả năng phân huỷ sinh học trong thời gian ngắn là sử dụng các phụ gia có khả năng tăng tốc phản ứng của PE với oxi không khí và đưa nguyên tử oxi vào trong mạch polime Các phụ gia làm tăng tốc và thúc đẩy quá trình phân huỷ sinh học được gọi là phụ gia xúc tiến phân huỷ (prodegradant) hay xúc tiến oxi hóa (prooxidant) Cơ sở của các chất xúc tiến oxi hóa này là các ion kim loại chuyển tiếp, thường được đưa vào

ở dạng stearat hay phức chất với các phối tử hữu cơ khác, thường gặp nhất là stearat của Fe3+, Mn2+, Ni2+ và Co2+ [21] Trong khi phức Fe3+ đóng vai trò quan trọng trong quá trình oxi hóa quang như một nguồn cung cấp gốc khơi mào phản ứng thì các ion khác cần thiết cho quá trình oxi hóa mà không chịu ảnh hưởng của ánh sáng khi chúng xúc tác quá trình phân hủy các peoxit đi kèm với cắt mạch Dưới tác dụng của ánh sáng, các peoxit phân hủy và quá trình cắt mạch diễn ra sau khi hấp thụ 1 photon mà không cần xúc tác bởi ion kim loại

Jakubowicz [18] nghiên cứu quá trình phân hủy oxi hóa nhiệt của màng polietilen trong điều kiện ủ compost có mặt phụ gia xúc tiến oxi hóa Các tác giả thấy rằng hỗn hợp kim loại là phụ gia xúc tiến oxi hóa hiệu quả nhất Để là một xúc tác hiệu quả, hai ion kim loại cần phải có độ bền giống nhau và khi khi 2 ion kim

23

loại bị oxi hóa bởi các chất oxi hóa, số oxi hóa của ion kim loại chỉ khác 1 đơn vị so với trước khi oxi hóa Ví dụ, Mn là kim loại phù hợp tham gia vào hỗn hợp kim loại cho hoạt tính xúc tiến oxi hóa Như một xúc tác oxi hóa khử, 2 ion Mn2+ có độ bền tương đương có thể tạo thành và bị oxi hóa thành Mn3+ và sau đó Mn3+ bị khử thành

Mn2+ Bởi vậy, khi poliolefin tiếp xúc với môi trường, một mạch gốc tự do trong vật liệu có thể phản ứng với oxi trong khí quyển và tạo thành các hidropeoxit tiếp tục bị thủy phân và quang phân Ngoài ra, chất xúc tiến oxi hóa cũng xúc tác phản ứng cắt mạch trong polime, tạo thành các sản phẩm oxi hóa thấp phân tử như axit cacboxylic, ancol và xeton Hơn nữa, quá trình peoxy hóa cũng làm biến đổi đặc tính bề mặt của vật liệu từ kị nước chuyển sang ưa nước Cuối cùng, các vi sinh vật

có thể tiếp cận bề mặt vật liệu, đồng hóa sinh học các sản phẩm oxi hóa ưa nước thấp phân tử khiến cho quá trình phân hủy sinh học trở nên dễ dàng Cơ chế hoạt động của các phụ gia xúc tiến phân huỷ được biểu diễn như sau [22]:

1.3.2 Quá trình oxi hóa quang và nhiệt

Các quá trình oxi hóa quang và nhiệt được kiểm soát bởi cường độ sáng và nhiệt độ, bởi vậy có thể gia tốc có chủ ý trong những thử nghiệm Phòng thí nghiệm (PTN), kết quả là làm dịch chuyển mạnh phân bố khối lượng phân tử và giảm mạnh khối lượng phân tử từ vài trăm nghìn xuống còn vài nghìn Các đoạn mạch bị cắt thường có nhóm cacboxylic cuối mạch nhưng cũng có thể xuất hiện các nhóm chức khác như este, ancol, xeton và nối đôi Do chỉ có các chất xúc tiến oxi hóa và

24

oxinguyên tử trong vùng vô định hình của polime nên quá trình oxy hóa chủ yếu diễn ra ở đây trong khi vùng kết tinh không bị tổn hại Quá trình oxi hóa có thể quan sát bằng mắt, biểu hiện ở sự mất tính chất cơ lý và phân mảnh màng PE, còn ở mức độ vi mô là do sự phá vỡ các mạch liên kết giữa các vùng bán tinh thể và tăng tính ưa nước cũng như khả năng thấm ướt của bề mặt màng Vật liệu nhận được có

vẻ phù hợp hơn cho sự tấn công của vi sinh vật so với màng PE ban đầu [27]

Việc tăng cường độ của bức xạ UV làm giảm nhẹ tính chất kéo và khối lượng phân tử của PE chứa phụ gia sắt stearat nhưng làm tăng đáng kể khả năng phân hủy sinh học [28]

Để thử nghiệm quá trình phân hủy sinh học trong PTN, trước tiên cần thực hiện oxi hóa gia tốc, mẫu được cho tiếp xúc với bức xạ ánh sáng và nhiệt độ cao Phương pháp thử nghiệm PTN phải được ghi lại kỹ lưỡng và điều chỉnh để có thể xác định chính xác mối liên hệ giữa quá trình oxi hóa quang và nhiệt với môi trường

tự nhiên Nói chung, mối liên hệ đó giữa các vật liệu khác nhau là khác nhau nhưng đối với màng PE chứa chất xúc tiến oxi hóa với hàm lượng khác nhau, 11 đến 18 ngày tiếp xúc ở 600C trong bóng tối tương đương với khoảng 2,5 đến 4,5 năm ở môi trường ngoài Tuy nhiên trong nhiều trường hợp mối liên hệ chính xác giữa việc xử

lý mẫu phi sinh vật với điều kiện tự nhiên không được chỉ rõ [29]

Hình 1.8 Quá trình phân hủy của PE xúc tác bởi kim loại chuyển tiếp [26]

25

Tốc độ phân hủy phi sinh vật của màng PE chứa chất xúc tiến phân hủy Mn2+được nghiên cứu trong các môi trường khác nhau ở 60 và 700C Quá trình phân hủy được theo dõi từ sự thay đổi khối lượng phân tử và độ dãn dài khi đứt sau khi tiếp xúc với không khí khô và ẩm Có thể quan sát thấy rằng độ ẩm có hiệu ứng gia tốc mạnh tới quá trình oxi hóa nhiệt của màng PE Tuy nhiên, mặc dù độ ẩm trong môi trường chôn lấp giống như trong không khí ẩm nhưng tốc độ phân hủy trong môi trường chôn lấp chậm hơn nhiều Nguyên nhân có thể là do amoniac và hydropeoxit sinh ra bởi vi sinh vật trong môi trường chôn lấp gây hiệu ứng khử hoạt tính bởi dung dịch nước của các hợp chất này làm chậm tốc độ phân hủy [29]

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng tới tốc độ phân hủy oxi hóa nhiệt của màng PE, trong khi đó oxi có tầm quan trọng không đáng kể tới tốc độ oxi hóa, ít nhất là trong khoảng 5-20% oxy Bằng cách đo tốc độ phân hủy oxi hóa- nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau, có thể xác định năng lượng hoạt hóa của màng PE chứa phụ gia xúc tiến oxi hóa là 106kJ/mol [18]

Các mẫu màng polietilen tỷ trọng cao (HDPE) chứa mangan laurat với hàm lượng từ 0-1% được xử lý nhiệt ở 700C trong 1000 giờ Quá trình oxi hóa nhiệt được đánh giá qua việc xác định sự thay đổi độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt, khối lượng phân tử, chỉ số chảy MFI, phân tích nhiệt và phổ hồng ngoại Màng HDPE thuần túy và màng chứa 1% phụ gia có mức độ suy giảm độ bền kéo đứt lần lượt là 11,74% và 43,33%, độ dãn dài khi đứt giảm lần lượt 16,21 và 55,85% Khối lượng phân tử trung bình giảm lần lượt 16,12 và 67,51% so với giá trị ban đầu Đỉnh hấp thụ của nhóm cacbonyl xuất hiện trong vùng 1700-1800cm-1 trên phổ hồng ngoại là kết quả của quá trình oxi hóa Độ bền nhiệt và nhiệt độ nóng chảy dịch chuyển về phía nhiệt độ thấp hơn [30]

Mẫu túi đựng hàng trong siêu thị chế tạo từ blend HDPE/LLDPE chứa phụ gia xúc tiến oxi hóa được tiếp xúc với thời tiết tự nhiên trong vòng 1 năm và theo dõi sự thay đổi cấu trúc, tính chất nhiệt và tính chất cơ lý trong quá trình đó Kết quả cho thấy tuổi thọ thực của polime olefin này có thể ngắn hơn nhiều so với khoảng thời gian hàng thế kỷ bởi chưa đến 1 năm tính chất cơ lý của mẫu đã giảm

Nhóm tác giả của Roy [33] cũng nghiên cứu ảnh hưởng của ba loại muối cacboxylat của coban có chiều dài mạch tăng dần là laurat (Lau), palmitat (Pal) và stearat (St) tới quá trình phân huỷ oxi hoá của màng polietilen tỷ trọng thấp (LDPE) Màng chứa phụ gia coban cacboxylat được chiếu bức xạ UV-B ở 300C trong khoảng thời gian dài Các kết quả chụp phổ hồng ngoại chứng tỏ rằng quá trình phân huỷ được định hướng bởi sự tạo thành các nhóm cacbonyl và vinyl Nghiên cứu tính chất cơ lý cho thấy các mẫu có chứa coban cacboxylat bị giòn cơ lý sau khi chiếu UV trong 400 giờ trong khi LDPE nguyên sinh vẫn không có thay đổi

gì đáng kể trong giai đoạn này Quá trình phân huỷ tăng tỷ lệ với chiều dài mạch theo thứ tự CoSt3>CoPal3>CoLau3

Các tác giả cũng nghiên cứu so sánh ảnh hưởng của benzil và coban stearat cũng như hỗn hợp phụ gia tới quá trình lão hoá của màng LDPE Trái ngược với hoạt tính của một chất hoạt hoá triplet thường thấy, benzil không có khả năng khơi mào quá trình phân huỷ nhiệt và quang cho màng LDPE Tuy nhiên, tốc độ oxi hoá tăng cường quan sát được chủ yếu là do coban stearat, trong trường hợp thành phần chứa hỗn hợp 2 phụ gia Tất cả các mẫu đều có khả năng oxi hoá nhiệt dễ hơn là

UV hay phơi mẫu tự nhiên [34]

Trạng thái oxi hoá của các kim loại chuyển tiếp cũng có ảnh hưởng đến bản chất của các chất xúc tiến phân huỷ (xúc tiến oxi hoá) Roy và cộng sự [35] đã tổng

27

hợp stearat của 3 kim loại là sắt, coban, mangan với trạng thái oxi hoá thường thấy của chúng (+2 và +3) và nghiên cứu ảnh hưởng tới quá trình phân huỷ oxi hoá quang và oxi hoá nhiệt của màng LDPE Màng có chiều dày 70μm được chế tạo bằng phương pháp đùn thổi được thử nghiệm trong tủ thời tiết hồ quang xenon và trong tủ không khí ở 700C trong thời gian dài Các kết quả cho thấy trạng thái oxi hoá của kim loại không ảnh hưởng đến khả năng khơi mào và gia tốc quá trình phân huỷ Quá trình phân huỷ oxi hoá nhiệt khi có mặt stearat kim loại diễn ra theo trật tự: coban> mangan> sắt Tuy nhiên sắt stearat có khả năng khơi mào quá trình oxi hoá quang tương đương với coban và mangan trong khoảng nồng độ nghiên cứu Các kết quả cũng chứng tỏ sắt chủ yếu là chất xúc tiến oxi hoá quang hiệu quả trong khi coban và mangan đều có thể hoạt động cả như chất xúc tiến oxi hoá quang lẫn oxi hoá nhiệt

Fontanella và cộng sự [36] so sánh ảnh hưởng của các loại nhựa PE (LDPE, HDPE, LLDPE) và bản chất của phụ gia xúc tiến oxi hóa tới quá trình phân hủy giảm cấp và phân hủy sinh học và thấy rằng HDPE bị oxy hóa không hiệu quả như LDPE và LLDPE Điều này thể hiện qua lượng hợp chất chiết ra khỏi màng HDPE thấp hơn 2 loại màng kia Bản chất của phụ gia xúc tiến oxi hóa là yếu tố chủ yếu kiểm soát quá trình phân hủy sinh học của màng PE, đặc biệt khối lượng tương đối của các kim loại có tính chất quyết định Coban có thể sử dụng làm phụ gia xúc tiến oxi hóa ở nồng độ giới hạn có kiểm soát bởi ở nồng độ cao, nó có thể gây độc tế bào đối với một số chủng vi sinh vật, làm mất khả năng tạo màng sinh học trên bề mặt

PE để đồng hóa nó

Khi so sánh 2 loại màng polietilen tỷ trọng thấp (LDPE) cùng có phụ gia xúc tiến oxi hóa, trong đó một loại có chứa chất độn canxi cacbonat nghiền kích thước micro, khả năng oxi hóa nhiệt của màng chứa chất độn chậm hơn nhưng mức độ khoáng hóa cacbon của 2 loại màng này gần như tương đương và đều đạt khoảng 19% trong môi trường chôn lấp ở 580C [37]

28

1.3.3 Quá trình phân hủy sinh học của PE sau phân hủy giảm cấp

Do polietilen (PE) được sử dụng khá phổ biến làm vật liệu bao bì nên rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành không chỉ với polietilen có khả năng phân hủy sinh học mà cả với quá trình phân hủy sinh học của polietilen [19, 38-40] Kết quả của các nghiên cứu này chứng tỏ polietilen bị phân hủy sinh học sau quá trình phân hủy quang và phân hủy hóa học Quá trình phân hủy sinh học của polietilen diễn ra theo 2 cơ chế: phân hủy sinh học hidro (có mặt nước) và phân hủy sinh học oxo (có mặt oxi) [19] Hai cơ chế này phù hợp với những biến đổi do 2 phụ gia được sử dụng trong quá trình tổng hợp polietilen phân hủy sinh học là tinh bột và chất xúc tiến oxi hóa Polietilen blend tinh bột có pha tinh bột liên tục làm cho vật liệu trở nên ưa nước và do đó bị xúc tác bởi các enzyme amylaza Vi sinh vật có thể dễ dàng tiếp cận, tấn công và loại bỏ phần này Nhờ đó, polietilen ưa nước với nền liên tục

bị phân hủy sinh học hidro Đối với polietilen có khả năng phân hủy sinh học được tổng hợp bằng cách bổ sung phụ gia xúc tiến oxi hóa, quá trình phân hủy sinh học diễn ra sau quá trình phân hủy quang và phân hủy hóa học Sau quá trình oxi hóa nhiệt được xúc tác bởi kim loại chuyển tiếp, quá trình phân hủy sinh học các sản phẩm oxi hóa thấp phân tử diễn ra ngay tiếp sau Ei- Shafei và cộng sự [40] nghiên

cứu khả năng tấn công của nấm và chủng Streptomyces lên polietilen phân hủy bao

gồm túi polietilen phế thải chứa 6% tinh bột Vi sinh vật được sử dụng trong nghiên

cứu này là 8 chủng Streptomyces khác nhau được phân lập và 2 loại nấm là Mucor

rouxii NRRL1835 và Aspergillus Flavus Sau 10 ngày xử lý nhiệt, màng polietilen được ủ và lắc rung với tốc độ 125 vòng/phút ở 300C trong môi trường cao nấm men

(pH 7,5) 0,6% đối với Streptomyces và trong môi trường cao nấm men (pH 5,5) đối

với nấm mốc Các enzyme hoạt tính được phát hiện và quá trình phân hủy sinh học của polietilen được khẳng định bằng cách đo kiểm tính chất cơ lý như độ bền kéo đứt và độ dãn dài khi đứt Yamada- Onodera [41] phân lập một chủng nấm

Penicillium simplicissimum YK để phân hủy sinh học polietilen Các tác giả cũng

thảo luận việc tiền xử lý polietilen trước khi nuôi cấy nấm để quá trình phân hủy hoàn toàn hơn Trái với nghiên cứu được thực hiện bởi Ei- Shafei [40] sử dụng

29

polietilen chứa tinh bột là nguồn cacbon giúp vi sinh vật phát triển, Yamada- Onodera [41] nghiên cứu quá trình phân hủy sinh học của polietilen không chứa phụ gia Các tác nhân oxi hóa hay bức xạ UV, như các chất nhạy UV, được sử dụng khi bắt đầu quá trình nhằm hoạt hóa vật liệu trơ polietilen Polietilen cũng được xử lý với axit nitric ở 800C trong 6 ngày trước khi nuôi cấy với các nhóm chức được tạo

ra mà vi sinh vật có thể tiếp cận Kết quả thực nghiệm cho thấy với hoạt tính của nấm, polietilen có KLPT ban đầu trong khoảng 4000-28000 bị phân hủy thành các đơn vị có KLPT thấp hơn 500 sau 3 tháng nuôi cấy lỏng, chứng tỏ quá trình phân hủy sinh học của vật liệu này

Một lượng đáng kể các hợp chất thấp phân tử được giải phóng vào môi trường nước

từ màng PE bị oxi hóa, các hợp chất này có thể được vi sinh vật tiêu thụ Koutny và cộng sự [42] theo dõi các hợp chất thấp phân tử giải phóng vào môi trường nước từ các mẫu màng HDPE và LDPE bằng kỹ thuật công hưởng từ nhân Các hợp chất

này sau đó được tiêu thụ hoàn toàn bởi chủng Rhodococcus rhodochrous trong 4

ngày nuôi cấy

Việc tồn tại các hợp chất hoạt động bề mặt từ vi khuẩn có khả năng sử dụng chất nền không tan cần phải được quan tâm Các hợp chất này gắn tương đối chắc với bề mặt vi khuẩn, làm tăng tính kị nước của nó và thúc đẩy sự bám dính của vi khuẩn lên bề mặt chất nền cũng như sự chuyển động một cách thụ động của các phân tử chất nền Hiện tượng này có thể liên quan đến nồng độ tới hạn tạo mixen của các chất hoạt động bề mặt sinh học so với các hợp chất hoạt động bề mặt tổng hợp thông thường Đối với PE bị oxi hóa thì các hợp chất hoạt động bề mặt từ vi khuẩn cũng có thể đóng vai trò rất quan trọng Dường như sự có mặt của chất tẩy rửa tổng hợp có tính chất lý hóa khác so với chất hoạt động bề mặt sinh học có ảnh hưởng tới quá trình phân hủy sinh học theo chiều hướng tiêu cực bởi nó làm tăng tính linh động của các hợp chất kém tan nhưng đồng thời cũng làm yếu sự bám dính của vi khuẩn trên bề mặt vật liệu [43]

30

Hình 1.9 Cơ chế phân hủy sinh học của PE sau khi phân hủy oxi hóa [26]

Về cơ bản, có 2 cách tiếp cận đối với các thí nghiệm phân hủy sinh học Cách thứ nhất sử dụng môi trường tự nhiên phức tạp, với các nhóm vi khuẩn hỗn hợp được thiết lập từ các chủng vi khuẩn và hoạt tính rộng, có khả năng mô phỏng quá trình phân hủy sinh học thực tế, như đất hoặc bùn hoạt tính Cách thứ 2 là với các chủng vi khuẩn xác định trong môi trường tổng hợp trong đó thí nghiệm có thể kiểm soát và lặp lại chính xác, có thể so sánh thí nghiệm từ các PTN khác nhau và suy luận thông tin liên quan đến cơ chế phân hủy sinh học

Việc lựa chọn các chủng vi khuẩn phù hợp để nghiên cứu quá trình phân hủy màng PE thường dựa trên 3 lý lẽ: (i) Kết hợp các chủng vi khuẩn thuộc dòng

Streptomyces và các chủng nấm cùng tạo ra enzym thủy phân lignin Bởi quan niệm

rằng lignin và PE đều là các chất nền cao phân tử không tan, trong quá trình phân hủy sinh học của nó rất nhiều enzyme oxi hóa với tính đặc hiệu cho chất nền không tập trung được tiết ra, sau đó cũng có thể tấn công PE; (ii) Kết hợp các chủng của vi

31

khuẩn Gram dương phát triển trên các n- ankan bậc cao Trong các chủng đó có thể

dự đoán được khả năng sử dụng PE bị oxi hóa làm chất nền có cấu trúc hóa học tương tự Các chủng này cũng có thể tạo ra chất hoạt động bề mặt sinh học cần thiết

để cố định các phân tử chất nền kị nước không tan; (iii) Các chủng được phân lập từ môi trường đất ô nhiễm bởi PE, đặc biệt trong nhiều năm, một phương pháp nghiên cứu phân hủy sinh học cổ điển [42] Tổng quan các kết quả công bố được giới thiệu

ở trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Tổng quan các nghiên cứu quá trình phân hủy sinh học bằng các chủng vi

khuẩn xác định và các tập đoàn vi khuẩn phức tạp

MW, kDa

lý nhiệt và UV

không công bố [43]

Chủng kết hợp

phân hủy

6

LDPE, chất xúc tiến oxi hóa chứa

Fe từ EPI Xử lý nhiệt và bức xạ

14 [44]

Arthrobacter paraffineus Không

LDPE + tinh bột/chất xúc tiến oxi hóa chứa Fe được xử lý nhiệt

~20 [19]

không công bố [45]

Brevibacillus borstelensis Đất ô

LDPE + chất nhạy quang được xử lý nhiệt và UV

Phân rác (550C) Phân hoai

và đất rừng

17

LDPE + phụ gia TDPA được xử lý nhiệt

ở 550C và quá trình oxi hoá nhiệt phi sinh học sơ bộ này làm giảm khối lượng phân

tử trung bình còn 6,7kDa Mẫu sau đó được trộn với vật liệu trơ, đất rừng hay phân rác, là các nguồn chứa chủng vi khuẩn, được làm ẩm và ủ ở nhiệt độ phòng đối với đất và ở 550C đối với phân rác Ban đầu giai đoạn phân huỷ sinh học rất nhanh khoảng 30 ngày được ghi lại, cuối giai đoạn đó lượng CO2 sinh ra đạt đỉnh tương

Một thí nghiệm chôn lấp khác được thực hiện bởi Jakubowick trong đó màng LDPE có phụ gia xúc tiến oxi hoá cũng được xử lý nhiệt trước sao cho khối lượng phân tử trung bình của nó giảm xuống dưới 5000Da Ngay khi thí nghiệm bắt đầu, lượng CO2 giải phóng ra được ghi lại và không thấy bất ký sự trễ pha nào trong quá trình sinh CO2, và trong vòng 6 tháng sau đạt tới mức tương đương với 60% khoáng hoá Kết quả của Chiellini và Jakubowicz cung cấp bằng chứng rõ ràng, củng cố cho luận điểm về khả năng phân huỷ sinh học của PE chứa phụ gia xúc tiến oxi hoá, và cũng bởi các thực nghiệm được dẫn chứng rõ ràng và so sánh đầy đủ, kỹ lưỡng với quá trình ủ đối chứng [48]

Mặc dù các kết quả nghiên cứu được tổng quan ở trên là tích cực và đáng khích lệ nhưng chúng ta vẫn cần thận trọng trước khi chấp nhận chúng như là minh chứng cuối cùng và hiệu quả cho quá trình phân huỷ sinh học của màng PE chứa phụ gia xúc tiến oxi hoá sau khi phân huỷ oxi hoá Trong các thí nghiệm đó, ngoài

PE thì các ngăn chứa mẫu cũng có một lượng lớn các chất nền cacbon khác và đặc biệt trong các thí nghiệm thường không dài, không thể loại bỏ hoàn toàn một số sai lệch, ngay cả khi quy trình được thiết kế chính xác và đã thực hiện hiệu chỉnh mẫu trắng, vì chúng ta không thể phân biệt được phần CO2 có nguồn gốc thuần tuý từ PE chứa phụ gia xúc tiến oxi hoá Ví dụ việc tập hợp mẫu đôi khi làm thay đổi sự giải phóng CO2 của nền [49]

34

1.4 Ứng dụng của việc tái chế nhựa phế thải thành các sản phẩm tự phân hủy

Nông, lâm nghiệp là một trong những lĩnh vực chủ yếu được hưởng lợi nhờ khai thác những tính chất có ích của chất dẻo nói riêng và polime nói chung Các loại chất dẻo khác nhau được sử dụng trong nông nghiệp dưới dạng màng, ống hay tấm Việc sử dụng màng chất dẻo trong nông nghiệp bao gồm 3 ứng dụng chính: che phủ nhà lưới và vòm lớn, che phủ vòm nhỏ, phủ bồi (hay phủ trực tiếp lên đất), dùng trong lĩnh vực bầu ươm cây Trong đó, màng che phủ trực tiếp lên đất cũng như làm bầu ươm là quan trọng bởi chúng có nhiều ưu điểm đã được kiểm chứng trong nhiều năm

Việc sử dụng màng phủ bồi trong nông nghiệp có thể mang lại một số lợi ích chính sau [50]:

- Lợi ích thứ nhất là cho thu hoạch sớm hơn: Đây là lợi ích lớn nhất khi sử dụng màng phủ bồi Màng phủ này giúp làm tăng nhiệt độ của đất trồng, thúc đẩy

sự phát triển của cây trồng

- Thứ hai là làm giảm sự bốc hơi: Quá trình mất nước của đất dưới màng phủ giảm đáng kể, kết quả là độ ẩm đất được duy trì và giúp giảm tần số tưới nước Sự phát triển của cây trồng khi sử dụng màng phủ bổi có thể gấp hai lần so với trường hợp không sử dụng màng này Dĩ nhiên màng phủ bổi không thể thay thế cho quá trình tưới, nhưng nó giúp giảm công chi phí đáng kể trong canh tác [50] Cùng với

đó màng phủ bồi PE giúp duy trì độ ẩm đất một cách đồng đều trong suốt mùa vụ [51]

Ảnh hưởng của màng phủ bồi PE lên độ ẩm đất, độ hấp thụ dinh dưỡng và sản lượng của cây bông đã được nghiên cứu bởi A.Y Hugar và các cộng sự [51] Nghiên cứu được tiến hành trên cây bông trong mùa vụ 2005 và 2006 với màng phủ bồi PE có các độ dày màng khác nhau: 75, 100 và 125μm nhằm khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm đất, hàm lượng vi sinh vật và quá trình hấp thu dinh dưỡng của các giống bông khác nhau Kết quả cho thấy cây bông trồng có sử dụng màng phủ bồi PE giúp tăng đáng kể sản lượng bông từ 11-27% so với đối chứng không sử dụng loại màng này Độ hấp thụ dinh dưỡng như N, P, K tốt hơn hẳn và lượng hấp thu này là cao

35

hơn khi sử dụng màng phủ dày hơn Mateen–ul–Hassan Khan và cộng sự [52] cũng nghiên cứu ảnh hưởng của màng phủ bồi lên sản lượng cà chua thu hoạch với các loại màng phủ: màng PE truyền sáng độ dày 150μm; màng PE đen dày 160μm Kết quả cho thấy độ ẩm đất tăng khoảng 27%, chiều dài lá và năng suất cà chua sau thu hoạch cũng tăng đáng kể

Ngoài ra màng phủ bồi có tác dụng làm giảm sự thất thoát phân bón: Do tạo được một lớp che chắn trên bề mặt nên màng có tác dụng làm giảm lực tác dụng của mưa và ngăn hiện tượng tạo dòng trong luống trồng, qua đó giúp giảm thiểu sự mất phân bón do rửa trôi Sự hấp thụ dinh dưỡng của cây như N, P, K tốt hơn hẳn so với khi không sử dụng màng phủ bồi cũng đã được nghiên cứu [51]

Làm giảm độ nén của đất, duy trì trạng thái tơi xốp, hạn chế sự phát triển của

cỏ dại: Đất dưới màng phủ bồi vẫn giữ được cấu trúc xốp, vì vậy không khí có thể tồn tại trong cấu trúc xốp Nhờ đó rễ cây có thể dễ dàng thu nhận oxi và các chất dinh dưỡng, điều này làm tăng quá trình sinh trưởng của cây, hạn chế sâu bệnh, đồng thời giúp tăng hoạt động của một số vi sinh vật trong đất Nhờ có sự che chắn nên cỏ dại không thể phát triển được dưới màng [51]

Những lợi ích của màng phủ bồi trong nông nghiệp là rất đáng kể và đã được chứng minh qua nhiều công trình nghiên cứu, cũng như trong hoạt động sản xuất nông nghiệp với quy mô lớn trong thực tế [51] Ảnh hưởng của màng phủ bồi

PE lên nhiệt độ đất trồng và sản lượng cà chua đươc nghiên cứu [53] Thí nghiệm được tiến hành với các loại màng phủ bồi gồm: màng truyền sáng, màng đen, màng trắng, và màng trắng/đen Kết quả cho thấy nhiệt độ của đất là cao nhất khi sử dụng màng truyền qua Biên độ dao động nhiệt độ của đất là nhỏ hơn khi sử dụng loại màng đục Trong khi đó sản lượng cà chua đối với trường hợp sử dụng màng đục là cao hơn đáng kể so với màng truyền sáng Trong số các loại màng đục trên thì sản lượng cà chua cao nhất thu được khi sử dụng màng trắng

Ảnh hưởng của màng phủ bồi lên quá trình ra hoa và sản lượng thu hoạch dưa chuột đã được Fonseca và các cộng sự tiến hành nghiên cứu đối với vật liệu là các loại màng phủ đen, trắng và màng trắng/đen Tất cả các loại màng phủ trên đều