Ô nhiễm môi trường do các chất thải nhựa không có khả năng tự phân hủy đang là vấn nạn hiện nay. Giáo án STEM môn Hóa này sẽ giúp người học nhận thức được sự ảnh hưởng to lớn của nhựa đến môi trường và các kiến thức nền tảng về nhựa, nhựa phân hủy sinh học và nhựa có thể tái chế là cơ sở để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường một cách tốt nhất trong tương lai.
Chuyên đề STEM liên quan: Hoá học, Kỹ thuật, Vật lý
Bậc học: THCS (Lớp 6-8), THPT (Lớp 9-12)
Tài liệu tải về:
- Chu trình carbon của nhựa phân hủy sinh học
- Bảng báo cáo thí nghiệm tạo sản phẩm nhựa phân hủy sinh học
Mục tiêu chính
Trong bài học này, người học được hướng dẫn cách tạo ra sản phẩm từ nhựa phân hủy sinh học (nhựa có thể bị phân hủy bởi các vi sinh vật). Các em học sinh sẽ tự tay tiến hành thử nghiệm, sáng tạo ra một dụng cụ bằng nhựa sinh học được làm từ động vật, tảo hoặc từ thực vật và tự đánh giá, cái tiến sản phẩm.
Thông qua bài học này, các em có thể hiểu thấu đáo và phân biệt được các khái niệm phân hủy, phân hủy sinh học, khả năng tái chế của nhựa và ảnh hưởng của nhựa đến môi trường sống.
Kiến thức tích hợp
Sơ đồ chuyển hóa nhựa phân hủy sinh học
Nhựa (Plastic)
Nhựa hay còn được biết đến là một loại chất dẻo làm từ polyme – hợp chất cao phân tử có nguồn gốc từ dầu mỏ, được dùng để chế tạo các vật liệu phục vụ trong cuộc sống như bao bì, ô tô, máy móc, quần áo, thiết bị y tế… có tính ứng dụng cực cao. Vì hầu hết nhựa được làm từ các hóa chất tổng hợp, nên nó rất khó tự phân hủy và có thể tồn tại lên đến hàng chục đến, hàng trăm năm. Nhựa có thể bị loại bỏ bằng cách dùng nhiệt nung chảy (đốt…) thế nhưng sẽ tạo ra các chất vô cùng độc hại cho con người và môi trường sống.
Nhựa sinh học (Degradable Plastic)
Nhựa sinh học hay còn gọi là nhựa hữu cơ, được làm từ nguyên liệu có nguồn gốc từ tự nhiên như bột ngô, bột gạo, khoai, sắn… được chia thành 2 loại:
- Nhựa sinh học có thể phân hủy
Nhựa sinh học có thể phân hủy thường được tạo ra bởi nguyên liệu PLA (polylactic axit – nguyên liệu sinh học như: ngô, khoai, sắn… ) hoặc PHAs (polyhydroxyalkanoates có nguồn gốc từ vi sinh vật). Dưới sự tác động của vi sinh vật loại nhựa này sẽ bị biến đổi hoàn toàn thành CO2, H20, dạng sinh khối…
- Nhựa sinh học khó phân hủy
Loại nhựa sinh học này dù được làm từ các nguyên liệu như bột gạo, ngô, khoai, sắn… .Thế nhưng trong quá trình sản xuất, thay vì chuyển hóa thành PLA dễ phân hủy lại bị chuyển hóa thành ethanol sau đó được tổng hợp thành ethylene/propylene khó phân hủy. Ethylene/propylene tiếp tục được sử dụng trong các phản ứng trùng hợp để tạo thành nhựa PE, PP truyền thống. Về bản chất, nhựa PE và PP không phân huỷ được mà chỉ có thể tiêu hủy bằng cách phân rã thành các mảnh nhỏ.
Nhựa phân hủy sinh học (Biodegradable Plastic)
Nhựa phân huỷ sinh học là các loại nhựa sẽ bị các vi sinh vật phân hủy hoàn toàn thành metan, CO2, nước, sinh khối… trong một khoảng thời gian cụ thể. Dựa theo nguyên liệu chế tạo mà loại nhựa này cũng được chia làm 2 loại là:
- Nhựa phân hủy sinh học sử dụng nguyên liệu có nguồn gốc tự nhiên PLA như tinh bột gạo, ngô…
- Nhựa phân hủy sinh học sử dụng nguyên liệu có nguồn gốc dầu mỏ điển hình là nhựa PBAT. Tuy được chế tạo từ dầu mỏ nhưng chúng lại có thể phân hủy sinh học.
Nhựa có khả năng tái chế (Compostable Plastic)
Nhựa tái chế là sản phẩm được tạo thành sau quá trình tái chế lại các loại rác thải nhựa thu gom. Nhựa tái chế giúp tiết kiệm, giảm thiểu lượng rác thải nhựa ra môi trường.
Nhựa tái chế sẽ được sản xuất thường được sản xuất thành những sản phẩm có cấp thấp hơn như đóng đai gạch ceramic, đóng gói hàng tiêu dùng, buộc hàng vật liệu…. Tuy nhiên, không phải loại nhựa nào cũng có thể sử dụng để tái chế lại. Ta có thể phân biệt chúng qua 7 ký hiệu như hình bên dưới.
7 ký hiệu phân loại nhựa có thể tái chế.
Thí nghiệm tạo sản phẩm nhựa phân hủy sinh học
Trong hoạt động này, học sinh sẽ tạo các tay cầm muỗng từ các loại nhựa sinh học khác nhau. Sau đó, kiểm tra và so sánh độ bền và tính linh hoạt của vật liệu.
Hướng dẫn thực hành
Phần 1: Xây dựng khuôn mẫu cho tay cầm muỗng từ lá nhôm
Bước 1: Dùng lá nhôm làm 9 khuôn, trong đó 3 khuôn/ hỗn hợp nhựa sinh học. Kích thước khuôn rộng 1 cm x sâu 2 cm x dài 10 cm.
Bước 2: Đánh số cho mỗi khuôn để dễ theo dõi.
Bước 3: Xịt chống dính lên khuôn.
Phần 2: Tạo hỗn hợp nhựa sinh học
Bước 1: Tạo 3 hỗn hợp nhựa sinh học theo tỉ lệ mẫu được cho sẵn trong bảng (hình bên dưới)
Bảng tỉ lệ mix hỗn hợp nhựa phân hủy sinh học.
Bước 2: Đun nóng từng hỗn hợp riêng biệt cho đến khi bắt đầu sủi bọt (khoảng dưới một phút. Khuấy đều sau khi đun nóng.
Bước 3: Đổ từng loại hỗn hợp vào khuôn. Đảm bảo các khuôn có cùng độ dày hỗn hợp (khoảng 0,5 – 0,75 cm).
Bước 4: Để hỗn hợp khô ở nơi ấm áp (Thời gian 3 – 5 ngày).
Bước 5: Khi các tay cầm muỗng đã khô hoàn toàn, hãy kiểm tra với nhiều mẫu đã làm. Đánh giá và ghi lại kết quả trong bảng sau:
Phần 3: Cải tiến thiết kế
Bước 1: Dựa trên kết quả ban đầu, hãy chọn một hỗn hợp giúp tay cầm muỗng chịu lực được tốt nhất.
Bước 2. Lặp lại thử nghiệm, điều chỉnh tỉ lệ hỗn hợp để giúp cho ra sản phẩm tốt ưu nhất.
Câu hỏi
Cơ bản
1. Sau thí nghiệm, người học đưa ra đánh giá xem loại nguyên liệu nào nên sử dụng nhất trong 3 loại đã cho? Phân tích vì sao?
2. Tại sao một số loại nhựa sinh học lại dẻo và một số loại khác lại giòn? Lượng chất làm dẻo ảnh hưởng như thế nào đến điều này?
3. Sử dụng phương pháp phân hủy nào là phù hợp nhất đối với chai nhựa, cho đĩa và đồ dùng bằng nhựa?
Nâng cao (Gợi ý cho người học kiếm thêm thông tin trên Internet)
1. Cho học sinh tìm hiểu về các loại nhựa được sử dụng trong thực tế và phân loại nhựa phân hủy sinh học và nhựa không phân hủy sinh học. Nếu có thể phân hủy sinh học thì chúng sẽ phân hủy thành gì?
- Nhựa Polyvinyl clorua (không phân hủy sinh học)
- Nhựa Gelatin (có thể phân hủy sinh học)
- Nhựa tinh bột có nguồn gốc tự nhiên (có thể phân hủy sinh học)
- Nhựa Agar Agar (có thể phân hủy sinh học)
- Nhựa Casein (có thể phân hủy sinh học)
- Nhựa Polyvinyl Styrene (có thể phân hủy sinh học)
2. Những loại nguyên tố nào được liên kết trong nhựa phân hủy sinh học? (Liên kết carbon – carbon, carbon-nitơ và carbon-oxy. )
3. Sự khác nhau về liên kết trong nhựa phân hủy sinh học là gì? Liên kết hóa học nào vi khuẩn có khả năng phân hủy? (Liên kết carbon-nitơ và carbon-oxy dễ bị phân hủy, liên kết carbon-carbon rất khó phân hủy).
4. Giải thích sự khác nhau về liên kết hóa học giữa nhựa phân hủy sinh học dẻo và giòn. (Chất làm dẻo giữ sự liên kết xảy ra giữa các sợi. Càng nhiều chất hóa dẻo trong hỗn hợp càng nhiều thì sản phẩm càng mềm dẻo hơn).
5. Để giải quyết cụ thể vấn đề giảm thiểu khí nhà kính trong khí quyển, nhựa có nên phân hủy sinh học? Tại sao có/ không?
Các thách thức
- Thí nghiệm diễn ra trong thời gian dài (tối đa 1 tuần từ thí nghiệm, thiết kế, tạo thành sản phẩm đến cải tiến sản phẩm), vì vậy các em học sinh phải kiên nhẫn, tỉ mỉ.
- Các hoạt động thí nghiệm khá nguy hiểm (sử dụng nhiệt độ cao) nên học sinh phải cẩn thận.
Tiêu chí đánh giá
- Để xác định bài học đạt hiệu quả thì chúng ta có thể xem xét dựa trên các tiêu chí sau.
- Học sinh có khả năng phân hủy sinh học các loại nhựa và tối ưu hóa vật liệu để phát triển một sản phẩm được làm từ nhựa thân thiện với môi trường.
- Học sinh có thể thực hiện quá trình thiết kế và thử nghiệm để tạo ra một sản phẩm nhựa phân hủy sinh học hoàn chỉnh.
- Học sinh có hiểu biết và phân tích rõ ràng các yếu tố ảnh hưởng đến các đặc tính của nhựa phân hủy sinh học.
Quan sát kết quả thí nghiệm nhựa phân hủy sinh học
Sau khi thực hiện thí nghiệm trong bài học, các nhóm hãy trình bày quy trình thực hiện và kết quả đánh giá của thí nghiệm. Sau đó đưa ra phân tích và lựa chọn xem loại hỗn hợp nhựa phân hủy sinh học nào mà nhóm ưng ý nhất.
Qua bài viết trên, Sylvan Learning Việt Nam đã hướng dẫn giáo án STEM Hóa học thiết kế sản phẩm với nguyên liệu nhựa phân hủy sinh học. Hi vọng sẽ giúp người học có thể hiểu biết nhiều hơn và phân biệt được các loại nhựa, cũng như ảnh hưởng của đến với môi trường sống và giải pháp mà chúng ta có để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do rác thải nhựa hiện nay.
