nghiên cứu quá trình xử lý bao ni lông phế thải bằng phương pháp nhiệt phân

MỞ ĐẦUMặc dù số lượng túi nilon sử dụng lớn như thế, nhưng số lượng thu gom chỉ được 40%. Còn 60% lượng túi nilon còn lại được thải trực tiếp vào môi trường. Theo các nhà khoa học, để túi nilon phân hủy có thể mất từ 500 đến 1000 năm nếu không bị tác động của ánh sáng mặt trời. Vì vậy mà tác hại của túi nilon gây ra rất nghiêm trọng: khi vào đất nó gây xói mòn đất, làm cho đất bạc màu, không tơi xốp, kém chất dinh dưỡng, từ đó làm cho cây trồng chậm tăng trưởng. Nó còn làm tắt các đường dẫn nước thải gây ngập lụt cho đô thị, dẫn đến ruồi muỗi phát sinh, lây truyền dịch bệnh… Túi nilon cũng đe doạ trực tiếp tới sức khoẻ con người vì nó chứa chì, cadimi… (có trong mực in tạo màu trên các bao bì) có thể gây tác hại cho não và là nguyên nhân chính gây ra bệnh ung thư phổi, bên cạnh đó túi nilon còn làm mất mỹ quan tới cảnh quan.Chúng ta có thể xử lý chúng theo một số phương pháp như chôn lấp, đốt,…Tuy nhiên với phương pháp đốt sẽ sinh ra nhiều khí độc hại cho môi trường, trong đó có cả chất dioxin. Bên cạnh đó nếu sử dụng phương pháp chôn lấp rác thải, chúng ta vô tình bỏ đi một nguồn nhựa đáng quý và làm lãng phí quỹ đất. Do vậy phương pháp nhiệt phân nhựa thành dầu nhiên liệu là một hướng đi mang lại giá trị kinh tế cao, đồng thời giải quyết được vấn đề về môi trường. Phương pháp này đã được nghiên cứu tại một số nước như Mỹ, Nhật Bản,…và tại Việt Nam, năm 2012 nhà máy chế biến rác nilon thành dầu DO, FO đầu tiên tại tỉnh Khánh Hòa đã được đi vào hoạt động.Chính vì vậy, trong phạm vi đề tài này chúng tôi sẽ thực hiện việc nghiên cứu quá trình xử lý bao ni lông phế thải bằng phương pháp nhiệt phân dùng các loại xúc tác góp phần giải quyết vấn đề về năng lượng và bảo vệ môi trường.Trong khi thực hiện đề tài, chúng tôi đã rất cố gắng tổng hợp kiến thức đã học và tham khảo một số tài liệu chuyên môn nhằm đạt kết quả tốt nhất. Tuy nhiên, trong quá trình làm đồ án không tránh khỏi những sai sót chúng tôi rất mong quý thầy cô và các bạn góp ý, chỉ dẫn.

MỞ ĐẦUMặc dù số lượng túi nilon sử dụng lớn như thế, nhưng số lượng thu gom chỉđược 40% Còn 60% lượng túi nilon còn lại được thải trực tiếp vào môi trường.Theo các nhà khoa học, để túi nilon phân hủy có thể mất từ 500 đến 1000 năm nếukhông bị tác động của ánh sáng mặt trời Vì vậy mà tác hại của túi nilon gây ra rấtnghiêm trọng: khi vào đất nó gây xói mòn đất, làm cho đất bạc màu, không tơi xốp,kém chất dinh dưỡng, từ đó làm cho cây trồng chậm tăng trưởng Nó còn làm tắtcác đường dẫn nước thải gây ngập lụt cho đô thị, dẫn đến ruồi muỗi phát sinh, lâytruyền dịch bệnh… Túi nilon cũng đe doạ trực tiếp tới sức khoẻ con người vì nóchứa chì, cadimi… (có trong mực in tạo màu trên các bao bì) có thể gây tác hại chonão và là nguyên nhân chính gây ra bệnh ung thư phổi, bên cạnh đó túi nilon cònlàm mất mỹ quan tới cảnh quan.

Chúng ta có thể xử lý chúng theo một số phương pháp như chôn lấp, đốt,

…Tuy nhiên với phương pháp đốt sẽ sinh ra nhiều khí độc hại cho môi trường,trong đó có cả chất dioxin Bên cạnh đó nếu sử dụng phương pháp chôn lấp rácthải, chúng ta vô tình bỏ đi một nguồn nhựa đáng quý và làm lãng phí quỹ đất

Do vậy phương pháp nhiệt phân nhựa thành dầu nhiên liệu là một hướng đimang lại giá trị kinh tế cao, đồng thời giải quyết được vấn đề về môi trường.Phương pháp này đã được nghiên cứu tại một số nước như Mỹ, Nhật Bản,…vàtại Việt Nam, năm 2012 nhà máy chế biến rác nilon thành dầu DO, FO đầu tiêntại tỉnh Khánh Hòa đã được đi vào hoạt động

Chính vì vậy, trong phạm vi đề tài này chúng tôi sẽ thực hiện việc nghiên cứuquá trình xử lý bao ni lông phế thải bằng phương pháp nhiệt phân dùng các loạixúc tác góp phần giải quyết vấn đề về năng lượng và bảo vệ môi trường

Trong khi thực hiện đề tài, chúng tôi đã rất cố gắng tổng hợp kiến thức đã học

và tham khảo một số tài liệu chuyên môn nhằm đạt kết quả tốt nhất Tuy nhiên,trong quá trình làm đồ án không tránh khỏi những sai sót chúng tôi rất mong quýthầy cô và các bạn góp ý, chỉ dẫn

LỜI CẢM ƠN

Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các giảng viên hướng dẫn làTh.S Nguyễn Quốc Hải N gười đã hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuậnlợi cho chúng tôi hoàn thành đồ án công nghệ này

Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến các thầy cô giáo bộ môn Công NghệHóa Học nói riêng, các thầy cô giáo trong khoa Hóa Học và Công Nghệ ThựcPhẩm nói chung Các thầy cô đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt nhữngkiến thức quý báu cho chúng tôi trong suốt bốn năm học vừa qua, đó chính lànền tảng để tôi thực hiện tốt đồ án này

Cuối cùng, tôi muốn cảm ơn các bạn trong lớp DH10H2 đã luôn ủng hộtinh thần, động viên, giúp tôi vượt qua những khó khăn trong suốt thời gian thựchiện đồ án này

Vũng Tàu, ngày 2 7 tháng 11 năm 2013

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH, TỪ VIẾT TẮT

Trang

1.1 Hiện Trạng Chất Thải Nilon 6

1.1.1 Trên thế giới 6

1.1.2 Ở Việt Nam 7

1.2 Định Nghĩa, Phân Loại Nhựa Phế Thải 8

1.2.1 Định nghĩa 8

1.2.2 Phân loại nhựa 9

1.3 Đặc Tính Và Công Dụng Của Một Số Loại Nhựa Thông Dụng 11

1.3.1 Polyethylene (PE) 11

1.3.2 Polypropylen (PP) 11

1.3.3 Polyvinylchloride (PVC) 12

1.3.4 Polycarbonat (PC) 13

1.3.5 Polyethylene terephthalate (PET) 13

1.4 Các Phương Pháp Xử Lý Nhựa Phế Thải 14

1.4.1 Tái chế 14

1.4.2 Đốt 14t 1.4.3 Ph ng pháp khí hóaương pháp khí hóa 15

1.4.4 Phương pháp thủy nhiệt: 16

1.4.5 Phương pháp nhiệt phân: 17

CHƯƠNG II: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT DẦU NHIỆT PHÂN TỪ NHỰA PHẾ THẢI 26 2.1 Chú thích: 26

2.2 Thuyết minh sơ đồ: 27

CHƯƠNG III: CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ NĂNG LƯỢNG 28

3.1 Tính hiệu suất của nhà máy: 28

3.2 Cân bằng sản phẩm cho các công đoạn 29

3.2.1 Khối lượng riêng của các loại nhựa: 29

3.2.2 Lượng dung khí sau khi nhiệt phân: 29

3.2.3 Cân bằng vật chất cho thiết bị tách: 29

3.2.4 Cân bằng vật chất ở thiết bị chưng cất: 30

3.3 Cân bằng năng lượng 30

3.3.1 Thiết bị gia nhiệt thành lỏng: 30

3.3.2 Thiết bị nhiệt phân : 31

3.3.3 Thiết bị chưng cất: 32

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT BỊ 34 4.1 Tính toán cho thiết bị chính: 34

4.1.1 Thiết bị nhiệt phân: 34

4.1.2 Tính toán cánh khuấy: 45

4.2 Tính cho thiết bị phụ: 46

4.2.1 Thiết bị xúc tác: 46

4.2.2 Thiết bị vít tải: 47

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Sản lượng nhựa thế giới (đơn vị triệu tấn)

Hình 1.2: Sản lượng nhựa Việt Nam giai đoạn 2000-2010 (đơn vị: nghìn tấn)

Hình 1.3: Tỷ lệ các loại nhựa phế thải tính trên tổng thành phần nhựa trong rác

thải

Hình 1.4 Cơ chế phản ứng xúc tác của quá trình nhiệt phân PE

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN LÝ THUYẾT1.1 Hiện trạng chất thải nilon

1.1.1 Trên thế giới

Túi nilon xuất hiện cách đây khoảng 150 năm -do nhà hóa học Anh,Alexander Parkes phát minh, và đến nay chưa xác định chính xác được thờigian nó phân hủy Tuy nhiên, các nhà môi trường, khoa học gia đều cho rằngquá trình túi nilon phân hủy có thể mất từ 500 đến 1000 năm nếu không bị tácđộng của ánh sáng mặt trời

Mặc túi nilon đem lại nhiều tiện lợi cho khách hàng khi mua sắm, nhưngchúng sẽ gây lãng phí năng lượng, tài nguyên và ô nhiễm môi trường nghiêmtrọng nếu sử dụng quá mức và thu gom, tái chế không tương xứng Đặc biệthiện nay ở nhiều quốc gia trên thế giới, loại túi nilon mỏng, dễ hư hỏngnhường bị phát tán khắp nơi và gây nên nạn ‘ô nhiễm trắng’ Điển hình như,

số luợng túi nilon sử dụng hàng năm trên đầu người ở Ai-len ước tính là 328túi/người/năm, ở Ôxtrâylia là 250 túi/người/năm, ở Scốt-len là 153túi/người/năm Mỗi năm có 500 tỷ túi nilon được tiêu thụ trên toàn cầu , để sảnxuất ra lượng túi nilon này, ước tính phải tiêu tốn tới 12 triệu thùng dầu thô,tương đương để sản xuất ra 240 triệu ga-lông xăng.[9]

Với tính năng rẻ, nhẹ, bền và tiện lợi, các sản phẩm từ nhựa đặc biệt làtúi nilon đã và đang sử dụng ngày càng nhiều Kéo theo đó là lượng rác nhựathải ra cũng tăng theo từng ngày Chỉ 40% lượng rác thải này được thu gom vàtái sử dụng, còn 60% còn lại được thải trực tiếp ra môi trường Điền này làmột gánh nặng cho môi trường Nó có tác động tiệu cực như: tắc nghẽn cácđường ống dẫn nước thải, dòng chảy gây ngập lụt đô thị, làm phát sinh ruồimuỗi gây ra các bệnh dịch Ngoài ra nó còn làm mất mĩ quan và tàn phá hệsinh thái: các túi nilon chui vào đất, làm cản trở quá trình sinh trưởng của cây

cỏ dẫn đến xói mòn đất Rác thải nhựa trôi nổi trên đại dương sẽ giết chết bất

kì sinh vật nào nuốt phải chúng Đã có hàng triệu sinh vật các loại chết hàngnăm, do ăn phải các túi nilon rồi không thải ra được

1976 1989 1997 2002 2008 2009 2010 0

Hình 1.1: Sản lượng nhựa thế giới (đơn vị triệu tấn)

Trên thế giới sản lượng nhựa tăng bình quân hàng năm khoảng 3,5%.Năm 1976, tổng sản lượng nhựa nói chung của thế giới là 50 triệu tấn Sảnlượng nhựa tăng chậm, trong nhưng năm 1976 – 2002 trung bình tăng 5,8 triệutấn/năm Nhưng trong giai đoạn từ năm 2002 – 2010, thì sản lượng nhựa đượcsản xuất lại tăng rất nhanh, trung bình tăng 13 triệu tấn/năm Trong đó lượng

đó LDPE chiếm 20,5%, HDPE: 14%

Hình 1.2: Sản lượng nhựa Việt Nam giai đoạn 2000-2010 (đơn vị: nghìn tấn)

Chưa có một thống kê chính thức nào được công bố về lượng rác thải từtúi nilon, bao bì nhựa ở Việt Nam Năm 2000, mỗi ngày ở Việt Nam có

khoảng 800 tấn rác nhựa thải ra môi trường Còn nếu tính theo tốc độ tăngtrưởng, sản xuất và thương mại hiện nay, mỗi ngày có khoảng 2.500 tấn rácthải nhựa.

Ở các khu vực đô thị, tuy chỉ chiếm 24% dân số cả nước, nhưng lại phátsinh đến gần 50% chất thải mỗi năm Do dân cư tập trung đông, nên nhu cầutiêu dùng lớn, hoạt động thương mai đa dạng và tốc độ đô thị hóa cao Theothống kê từ các tỉnh, thành phố, năm 2002 cho thấy lượng chất thải rắn bìnhquân khoảng từ 0,8kg đến 1,2kg/người.ngày ở các đô thị lớn và từ 0,5kg đến0,7kg/người.ngày ở các đô thị nhỏ Trong lượng rác thải đó thì chất hữu cơtrung bình chiếm 45% -60%, chất thải nhựa, nilon chiếm từ 6% -16%

Ở nông thôn, với hơn 70% dân số cả nước thì lượng rác thải phát sinhcũng là một điều đáng quan tâm Đời sống kinh tế xã hội, ở các vùng quê,đang ngày một phát triển, các hoạt động dịch vụ ngày càng đa dạng, cùng vớinhiều chợ tự phát hình thành thì lượng rác thải ra là khá lớn Theo báo cáodiễn biến môi trường Việt Nam, rác thải nông thôn ước tính 0,3kg/người.ngày

và đang tăng đều theo từng năm Điều này đang là vấn đề bức xúc, vì hoạtđộng thu gom ở các vùng quê hầu như rất ít, thậm chí là không có Tất cả rácthải điều được thải ra môi trường như ao hồ, sông ngòi,… gây hủy hoại dầnmôi trường sống và lâu dài sẽ trực tiếp ảnh hưởng đến sức khỏe con người nếukhông được thu gom xử lý

1.2 Định nghĩa, phân loại nhựa phế thải

1.2.1 Định nghĩa

Chất dẻo (plastic, nhựa): là một loại polyme Chúng là những hợp chất cao phân tửgồm những nhóm nguyên tử giống nhau liên kết hóa học tạo thành mạch dài và có khối lượng phân tử lớn

Công thức của chất dẻo như sau:

… – A – A – A – A – A – A – A – A – A – A – …  – [A]n– Tên gọi: Tên gọi chất dẻo chủ yếu dựa vào tên monome, hợp chất tổng hợp nên chúng, còn thêm vào phía trước chữ “poly”.

Ví duï: Propylen  PP: polypropylen.

Styrene  PS: polystyren

Nhựa phế thải là các loại nhựa, bao bì bằng polime, sau khi sử dụng trởthành rác thải Rác thải nilon thực chất là một hỗn hợp nhựa, trong đó chiếmphần lớn là nhựa polyethylene (PE)

Thành phần của nhựa phế thải: Polyethylene (LDPE; HDPE…);Polypropylene (PP); Polyvinyl chlorid (PVC); Polystyrene (PS) ngoài ra trongrác thải sinh hoạt thường gặp loại nhựa Polyester và Polyethylenetelephthalate (PET)

Hình 1.3: Tỷ lệ các loại nhựa phế thải tính trên tổng thành phần nhựa trong rác

Nhựa PET: Vỏ chai nước khoáng, nước mắm, dầu ăn …

Nhựa PVC: Ống nước; tấm lợp nhựa; dây điện …

Nhựa PP: Bao bì xác rắn; một số loại nhựa cứng…

Nhựa PS: Hộp xốp bọc vỏ máy; vỏ bút bi, cốc đựng nước …

Dựa vào phản ứng với nhiệt độ

Vật liệu nhựa được phân thành hai loại: Nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệtrắn

Nhựa nhiệt dẻo : Là loại nhựa khi nung nóng đến nhiệt độ chảy mềm Tm thì nóchảy mềm ra và khi hạ nhiệt độ thì nó đóng rắn lại Thường tổng hợp bằngphương pháp trùng hợp Các mạch đại phân tử của nhựa nhiệt dẻo liên kếtbằng các liên kết yếu (liên kết hydro, vanderwall) Tính chất cơ học khôngcao khi so sánh với nhựa nhiệt rắn Nhựa nhiệt dẻo có khả năng tái sinhđược nhiều lần, ví dụ như: PE, PP, PS, PET, poly metyl metacrylat(PMMA), poly butadien (PB),…

Nhựa nhiệt rắn: là hợp chất cao phân tử có khả năng chuyển sang trạng tháikhông gian 3 chiều dưới tác dụng của nhiệt độ hoặc phản ứng hóa học vàsau đó không nóng chảy hay hòa tan trở lại được nữa, không có khả năng táisinh Một số loại nhựa nhiệt rắn: ure focmadehyt [UF], nhựa epoxy, phenolfocmadehyt [PF], nhựa melamin, poly este không no…

Vật liệu đàn hồi (elastome): là loại nhựa có tính đàn hồi như cao su

Theo trạng thái pha

Chúng ta có thể chia nhựa nhiệt dẻo thành hai loại: Nhựa có cấu trúc vôđịnh hình và nhựa có cấu trúc tinh thể

Nhựa có cấu trúc vô định hình (PS, PC…): Dể dàng nhận thấy bởi tính chấtcứng và trong suốt Màu sắc tự nhiên của nhựa này là trong như nước hoặcgần như cát vàng hoặc mờ đục, loại nhựa này có độ co rút rất nhỏ, chỉ bằng0,5 -0,8 %.

Nhựa có cấu trúc tinh thể (PP, PE, PA…): Loại nhựa này thường cứng và bềndai, nhưng không trong suốt thường dùng làm trong đồ gia dụng

Theo phạm vi sử dụng

Có nhựa gia dụng và nhựa kĩ thuật

Nhựa gia dụng: dùng để chế tạo các chi tiết hay sản phẩm có độ chính xác cao

và cơ tính không cần cao như vỏ dây bọc điện, dép nhựa, thau giặt đồ, ốngnước…

Nhựa kĩ thuật: dùng chế tạo các chi tiết máy, các chi tiết lắp hay các sản phẩm

có yêu cầu về độ chính xác và cơ tính cao nhưa bánh răng, bulong, đai ốc,

vỏ máy…

1.3 Đặc tính và công dụng của một số loại nhựa thông dụng

1.3.1 Polyethylene (PE)

 Đặc tính:

Trong suốt, hơi có ánh mờ, có bề mặt bóng láng, mềm dẻo

Chóng thấm nước và hơi nước tốt

Chống thấm khí O2, CO2, N2 và dầu mỡ đều kém

Chịu được nhiệt độ cao (dưới 2300C) trong thời gian ngắn

Bị căng phồng và hư hỏng khi tiếp xúc với tinh dầu thơm hoặc các chất tẩynhư Alcool, Acêton, H2O2…

Có thể cho khí, hương thẩm thấu xuyên qua, do đó PE cũng có thể hấp thu giữmùi trong bản thân bao bì, và cũng chính mùi này có thể được hấp thu bởithực phẩm được chứa đựng, gây mất giá trị cảm quan của sản phẩm

 Công dụng:

Làm túi xách các loại, thùng (can) có thể tích từ 1 đến 20 lít với các độ dàykhác nhau

Sản xuất nắp chai Do nắp chai bị hấp thu mùi nên chai đựng thực phẩm đậybằng nắp PE phải được bảo quản trong một môi trường không có chất gâymùi.

1.3.2 Polypropylen (PP)

 Đặc tính :

Tính bền cơ học cao (bền xé và bền kéo đứt), khá cứng vững, không mềm dẻonhư PE, không bị kéo giãn dài do đó được chế tạo thành sợi Đặc biệt khảnăng bị xé rách dễ dàng khi có một vết cắt hoặc một vết thủng nhỏ

Trong suốt, độ bóng bề mặt cao cho khả năng in ấn cao, nét in rõ

Chịu được nhiệt độ cao hơn 1000C Tuy nhiên nhiệt độ hàn dán mí (thân) bao

bì PP (1400C) -cao so với PE -có thể gây chảy hư hỏng màng ghép cấu trúcbên ngoài, nên thường ít dùng PP làm lớp trong cùng

Có tính chất chống thấm O2, hơi nước, dầu mỡ và các khí khác

 Công dụng:

Dùng làm bao bì một lớp chứa đựng bảo quản thực phẩm , không yêu cầuchống oxy hóa một cách nghiêm nhặt

Tạo thành sợi, dệt thành bao bì đựng lương thực, ngũ cốc có số lượng lớn

PP cũng được sản xuất dạng màng phủ ngoài đối với màng nhiều lớp để tăngtính chống thấm khí, hơi nước, tạo khả năng in ấn cao, và dễ xé rách để mởbao bì (do có tạo sẵn một vết đứt) và tạo độ bóng cao cho bao bì

1.3.3 Polyvinylchloride (PVC)

Sản phẩm PVC trước đây (1920 trở đi) được sử dụng với số lượng rấtlớn, nhưng ngày nay đã bị PE vượt qua Hiện nay, PVC phần lớn dùng bao bọcdây cáp điện, làm ống thoát nước, áo mưa, màng nhựa gia dụng…

Trong PVC có chất vinylchoride, thường được gọi là VCM có khả nănggây ung thư (phát hiện 1970)

 Đặc tính:

Bao bì PVC có những khuyết điểm như sau :

Tỉ trọng : 1,4g/cm2 cao hơn PE và PP nên phải tốn một lượng lớn PVC để cóđược một diện tích màng cùng độ dày so với PE và PP

Chống thấm hơi, nước kém hơn các loại PE, PP.

Có tính giòn,không mềm dẻo như PE hoặc PP, để chế tạo PVC mềm dẻo dùnglàm bao bì thì phải dùng thêm chất phụ gia

Loại PVC đã được dẻo hóa bởi phụ gia sẽ bị biến tính cứng giòn sau mộtkhoảng thời gian

Mặc dù đã khống chế được dư lượng VCM thấp hơn 1ppm là mức an toàn chophép, nhưng ở Châu Âu, PVC vẫn không được dùng làm bao bì thực phẩm

dù giá thành rẻ hơn bao bì nhựa khác

 Công dụng:

Sử dụng làm nhãn màng co các loại chai, bình bằng nhựa hoặc màng co baobọc các loại thực phẩm bảo quản , lưu hành trong thời gian ngắn như thịtsống, rau quả tươi…

Ngoài ra, PVC được sử dụng để làm nhiều vật gia dụng cũng như các loại sảnphẩm thuộc các ngành khác

1.3.4 Polycarbonat (PC)

 Đặc tính:

Tính chống thấm khí, hơi cao hơn các loại PE, PVC nhưng thấp hơn PP, PET.Trong suốt, tính bền cơ và độ cứng vững rất cao, khả năng chống mài mòn vàkhông bị tác động bởi các thành phần của thực phẩm

Chịu nhiệt cao (trên 1000C )

Trong suốt.

Chống thấm khí O2, và CO2 tốt hơn các loại nhựa khác

Khi được gia nhiệt đến 2000C hoặc làm lạnh ở – 900C,cấu trúc hóa học củamạch PET vẫn được giữ nguyên, tính chống thấm khí hơi vẫn không thayđổi khi nhiệt độ khoảng 1000C

Vì tái chế nhựa có thể gây ra các rủi ro về sức khoẻ, vì vậy khi bổ sungcác chất phụ gia cần phải được kiểm soát cẩn thận Đây là vấn đề đặc biệtquan trọng có liên quan tới việc xuất khẩu chất thải nhựa từ các nước pháttriển sang các nước đang phát triển Việc phân tích các thông tin hiện tại vềcác tác động bất lợi đối với sức khoẻ nghề nghiệp của con người tiếp xúctrong môi trường tái chế nhựa còn chưa đầy đủ, dữ liệu về tác động của cácchất phụ gia trong nhựa đối với môi trường còn hạn chế

1.4.1.2 Ưu nhược điểm của tái chế nhựa

 Ưu điểm:

- Đơn giản dễ thực hiện

- Không tốn nhiều công lao động

- Phổ biến rộng rải

 Nhược điểm:

- Chiếm quỹ đất lớn.

- Nước rỉ rác gây ô nhiễm môi trường

- Không tận dụng được các nguồn lợi kinh tế to lớn từ việc tái chế rác

1.4.2 Đốt t

Định nghĩa: Là phương pháp oxy hóa bằng nhiệt Quá trình đốt được thực hiện

với một lượng oxy ( không khí) cần thiết đủ để đốt cháy hết lượng bao ni lông phếthải có nguồn gốc chất dẻo gọi là quá trình đốt hóa học Nếu quá trình đốt đượcthực hiện với một lượng dư không khí cần thiết thì gọi là quá trình đốt dư khí.Đốt là phương pháp xử lý rác thải cuối cùng khi không thể xử lý bằng các phươngpháp khác Nhiên liệu thường sử dụng là khí gas hay dầu trong các lò đốt chuyêndụng có nhiệt độ trên 10000C, và ở các vùng nông thôn thường được đốt trực tiếp

ở môi trường rất là ôi nhiễm

Sản phẩm của quá trình đốt thường là bụi, hơi nước, CO, CO2, dioxin và tro.

Các nguyên tắc cơ bản của quá trình đốt:

- Lượng oxy sử dụng được xác định theo phương trình cháy:

Bao ni lông + Oxy  Sản phẩm cháy + Q (Nhiệt )

- Quá trình cháy phải tuân theo nguyên tắc “3T”, để đạt hiệu suất cao :

Nhiệt độ cháy (temperature) – Độ xáo trộn (Turbulence) – Thời gian cháy

dioxin có trong khí thải

- Vận hành phức tạp và đòi hỏi đội ngủ kỹ thuật có tay nghề cao

- Giá thành đầu tư lớn và chi phí nhiên liệu và xử lý cao

1.4.3 Ph ương pháp khí hóa ng pháp khí hóa

Định nghĩa: Là quá trình đốt không hoàn toàn chất thải rắn có nguồn gốc chất

dẻo (như bao ni lông) dưới điều kiện thiếu không khí Đây là kỹ thuật đốt có hiệuquả về mặt năng lượng với mục đích giảm thể tích chất thải và thu hồi nănglượng

Sản phẩm: Quá trình đốt cháy một phần nhiên liệu thu được sản phẩm cháy

giàu CO2, H2 và một số hydrocarbon mà chủ yếu là CH4 Sản phẩm này đượcdùng làm khí nhiên liệu cho động cơ đốt trong và nồi hơi Khí hóa ở áp suấtkhí quyển sử dụng không khí làm tác nhân oxy hóa thu được sản phẩm cónăng lượng thấp chứa CO2, CO, H2, CH4, và hắc ín chứa carbon, chất trơ vàphần lỏng như dầu nhiệt phân

Khi hệ thống được vận hành ở áp suất khí quyển với không khí được dùng làmchất oxy hoá, thì sản phẩm cuối cùng của hệ thống khí hoá là hỗn hợp khí cháy

có nhiệt trị thấp, trong đó: 10% CO2, 20% CO, 15% H2, 2% CH4 theo thể tích,còn lại là khí N2 Carbon cố định và tro có trong chất thải rắn có nguồn gốc chấtdẻo Khí nhiên liệu sinh ra có nhiệt trị thấp (khoảng 5.600 kJ/m3) do ảnh hưởngnitơ có trong không khí đi vào Hệ thống khí hoá dùng khí làm tác nhân oxy hoávận hành đơn giản, lượng khí sinh ra ổn định Khi oxy nguyên chất được dùnglàm chất oxy hoá thay cho không khí thì khí sinh ra có nhiệt trị cao hơn (khoảng11.200 kJ/m3)

Ưu, nhược điểm:

Ưu điểm: Khí hoá là một kỹ thuật đốt có hiệu quả về mặt năng lượng, được áp dụng với mục đích làm giảm thể tích chất thải và thu hồi năng lượng

Nhược điểm: Vốn đầu tư lớn, đòi hỏi kỹ thuật cao và thời gian khí hóa lâu

hơn thời gian đốt.

1.4.4 Phương pháp thủy nhiệt:

Nguyên tắc

Phế liệu sau khi thu về sẽ được làm nhỏ ra, đốt ở nhiệt độ 350oC trong điều

kiện thiếu ôxy và có bổ sung hơi nước để thu được dầu dạng thô Từ dầu thônày sẽ được tiếp tục xử lý để cho ra xăng dùng cho động cơ và dầu dieselchạy máy

Sản phẩm

Nhiên liệu sử dụng trong quá trình đốt được lấy từ dầu cặn phát sinh củaquá trình đốt Nhờ dùng dầu cặn này, việc đốt để thu hồi dầu từ phế liệu nhựakhông tiêu hao thêm nhiên liệu Nghiên cứu này ngoài việc thu dầu còn gópphần giải quyết vấn đề môi trường

Phương pháp khí hóa và thủy nhiệt chỉ là bước cơ bản, là tiền đề để đi đến một phương pháp hoàn thiện và hiệu quả hơn trong quá trình xử lý bao ni lông phế thải đó là phương pháp nhiệt phân.

1.4.5 Phương pháp nhiệt phân:

1.4.5.1 Định nghĩa:

Nhiệt phân là quá trình xử lý chất thải rắn có nguồn gốc chất dẻo (bao ni lông)bằng nhiệt trong điều kiện hoàn toàn không có oxy

Phản ứng quan trọng nhất trong quá trình nhiệt phân là bẻ gãy mạch liên kết C –

C, chúng tạo thành những gốc tự do và có đặc tính chuỗi, nhiệt độ càng tăng thì sựcắt mạch càng sâu

Sản phẩm

- Khí cháy (H2, CH4 và các hydrocarbon nhẹ)

- Nhiên liệu lỏng: tổ hợp các hydrocarbon Có thể dùng tổng hợp dầu nhiên liệu

- Tro: cacbon và chất trơ

Ưu, nhược điểm:

 Ưu điểm:

Ngoài những ưu điểm tương tự như quá trình đốt, quá trình nhiệt phân còn là

một quá trình kín, ít tạo khí thải ô nhiễm đặc biệt là khí dioxin Sản phẩm saunhiệt phân còn có thể thu hồi và sử dụng với giá trị kinh tế cao Điều kiện tiếnhành nhiệt phân cũng tương đối dễ thực hiện, có thể đưa ra thành qui mô xử lýcông nghiệp.

1.4.5.2.1 Nhiệt phân không xúc tác:

Quá trình nhiệt phân nhiệt là quá trình bẻ gãy mạch hydrocarbon dưới tácdụng của nhiệt độ, thường là nhiệt độ cao, đối với polyethylene thường từ

4300C – 7000C Polyethylene chỉ có liên kết C-C và C-H , năng lượng liên kếttrung bình của một C-C khoảng 83 kcal/mol và một liên kết C-H khoảng 94kcal/mol Nên ở nhiệt độ thấp thì liên kết C-C bị bẽ gãy và nhiệt độ cao thìliên kết C-H mới bị gãy Do vậy cần một năng lượng lớn để bẻ gãy mạchchính, và thường xảy ra ở đầu và cuối mạch, cho đến khi hình thành gốc tự do

ổn định Phản ứng xảy ra theo các cơ chế gốc tự do như sau:

Cracking bẻ gãy liên kết ở đầu, cuối mạch và ngắt mạch quá trình này xảy

ra liên tiếp và sản phẩm là monomer

Cracking bẻ gãy mạch ngẩu nhiên của các polymer mạch dài và kết quảhình thành những monomer và oligomer

Cracking bẻ gãy các nhánh phụ trên chuỗi polymer dài

Các mạch nhánh trên chuỗi polymer bị bẻ gãy hoặc các mạch ngắn liên kếtvới nhau theo thứ tự ưu tiên về mặt năng lượng là đầu và cuối của một cặpgiống nhau hay khác nhau tạo thành monomer mới

 Cơ chế quá trình nhiệt phân không xúc tác

Quá trình nhiệt phân PE luôn ưu tiên tạo thành những phân tử có 6, 10,

14 nguyên tử carbon là những olefin [3] Và nó cũng thường xảy ra theo cơ chếcracking ngẫu nhiên tạo những oligomer và monomer thể hiện như phươngtrình [1.1] và [1.2] cracking nhiệt polyethylen thu được 1-hexene và propen :

Đặc điểm sản phẩm nhiệt phân không xúc tác:

Sản phẩm khí chủ yếu là C1 và C2

Các olefin tạo thành có ít nhánh

Nhiều olefin được tạo thành ở nhiệt độ cao

Khối lượng phân tử của sản phẩm lỏng phân bố trong khoảng rộng

Phân đoạn khí và cốc cao

- Phản ứng tương đối chậm

1.4.5.2.2 Nhiệt phân có xúc tác:

 Cơ chế nhiệt phân xúc tác

Quá trình nhiệt phân xúc tác xảy ra các phản ứng cracking theo cơ chếhóa học là ion cacboni (C+) Trong đó xảy ra các phản ứng như isomer hóa (đồng phân hóa), cắt mạch và cắt mạch ở vị trí, chuyển vị hydro, oligomer hóa vàankyl hóa

Tất cả các phản ứng chịu ảnh hưởng bởi độ mạnh của tâm acid, tỷ trọng

và sự phân bố trên xúc tác Tính acid của xúc tác còn phụ thuộc vào tâm acidBronsted và Lewis Nhưng sự có mặt của các tâm Bronsted sẽ ưu tiêncracking các hợp chất olefin Cấu trúc đạt hiệu quả phản ứng nhiệt phân caonhất là zeolite Các tâm acid của các xúc tác cracking cung cấp ion cacbonibằng cách thêm proton vào olefin hoặc giải thoát ion hydro từ phân tửhydrocarbon như sau:

Ngoài ra còn các phản ứng khác như phản ứng đồng phân hóa tại liên kết đôi:

̶̶ CH2 ̶ CH2 ̶ CH=CH2

+H+ ̶ CH2 ̶ CH2 ̶ +CH ̶ CH3

+H+ ̶ CH2 ̶ CH=CH ̶ CH3

Phản ứng đồng phân hóa tại khung hydrocarbon:

H2C

CH3

Ưu điểm của quá trình nhiệt phân xúc tác so với nhiệt phân nhiệt:

Giảm nhiệt độ cũng như thời gian phản ứng của quá trình nhiệt phân Đồngthời tăng tốc độ chuyển hóa trong khoảng rộng của các polymer

Bằng cách lựa chọn các loại xúc tác ta có điều khiển các sản phẩmhydrocarbon thu được trong khoảng hẹp tùy vào nguyên liệu sử dụng

Tăng hiệu suất khí sẽ chứa nhiều C3 và C4 hơn khi sử dụng xúc tác choquá trình nhiệt phân PE ở cùng một nhiệt độ và áp suất với quá trình nhiệtphân nhiệt

[1.4][1.3]

[1.5]

[1.6][1.7][1.8]

[1.9]

Tăng hiệu suất trong phân đoạn xăng chứa nhiều C5 – C10 hơn, so vớinhiệt phân nhiệt thì sản phẩm thu được nhẹ hơn Dầu nhiệt phân xúc tác thuđược có lượng olefin ít đi và lượng aromat tăng lên do các olefin đóngvòng tạo thành Và các phản ứng bẻ mạch dài sẽ nhiều hơn.

Các olefin là sản phẩm ban đầu sau đó hình thành nhiều nhánh hơn do quátrình isomer hóa

Dầu nhiệt phân không xúc tác thì sản phẩm là các mạch hydrocacbon có

số phân tử cacbon phân bố rất rộng, có hàm lượng paraffin và olefin cao

Ta có thể tóm tắt cơ chế phản ứng của quá trình nhiệt phân xúc tác nhưhình 1.4

Hình 1.4 Cơ chế phản ứng xúc tác của quá trình nhiệt phân PE

1.4.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân:

Nhiệt phân nhựa phế thải có xúc tác thì hiệu suất của quá trình phụ thuộcvào các yếu tố sau: nhiệt độ điện phân, tốc độ gia nhiệt, thời gian nhiệt phân,hình thức lò phản ứng, tốc độ sục khí nitơ , thành phần nguyên liệu và xúc tác

1.4.5.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể và là tác nhân quan trọng quyết địnhhiệu suất sản phẩm rắn, lỏng và khí trong quá trình nhiệt phân Việc lựa chọn

giá trị tối ưu của nhiệt độ sẽ xác định hiệu quả của quá trình nhiệt phân Mongmuốn của quá trình nhiệt phân là thực hiện ở nhiệt độ thấp nhưng vẫn thu đượcnhiều thành phần sản phẩm có ích Các nghiên cứu cho thấy nhiệt độ nhiệtphân càng tăng thì lượng sản phẩm khí thu càng nhiều Trong nghiên cứu củaHale Sutcu cho thấy lượng khí tăng 1,61 lần ở 6500C so với nhiệt phân ở nhiệt

độ 4500

C Tuy nhiên lượng CO2 lại giảm, điều này là do khi nhiệt độ tăng sẽdiễn ra phản ứng

CO2 + C → 2CO [1.10]Sản phẩm rắn giảm khi nhiệt độ tăng Như vậy, dưới tác dụng của nhiệt

độ cao, quá trình cracking mạch cacbon diễn ra sâu hơn đồng thời quá trìnhkhí hóa cũng diễn ra làm cho lượng rắn giảm xuống, lượng khí tăng lên

1.4.5.3.2 Thời gian nhiệt phân:

Phản ứng lần hai của sản phẩm chủ yếu, xảy ra dễ dàng tùy theo sự giatăng thời gian phản ứng nên không chỉ cốc, hắc ín mà các sản phẩm ổn địnhmang tính nhiệt được sinh ra, ảnh hưởng của cấu trúc nhựa phế thải vốn có yếu

đi Truờng hợp muốn thu lại dạng đơn thể, tốt nhất là thời gian phản ứng phảingắn, nếu như thời gian phản ứng tăng thì sẽ sinh nhiều sản phẩm như : H2, CH4,cacbon

1.4.5.3.3 Ảnh hưởng của nguyên liệu:

Tùy vào từng loại nguyên liệu đầu vào mà ta có thể thu được các hợp chấthydrocarbon khác và hiệu suất thu hồi các sản phẩm cũng khác nhau

Khi nguyên liệu đầu vào của quá trình nhiệt phân thay đổi thì cơ cấu củacác loại sản phẩm sẽ thay đổi Ví dụ như khi nhiệt phân PE và PP chủ yếu sảnphẩm là paraffin và olefin, nhiệt phân PS sinh ra styrene đơn hợp (monomer),chất nhị trùng (dimer) , chất tam phân (trimer)

1.4.5.3.4 Tốc độ sục khí N 2

Tốc độ sục khí cũng ảnh hưởng tới hiệu suất thu sản phẩm lỏng Mục đíchcủa khí mang N2 là đuổi hết khí O2 ra khỏi bình phản ứng, sau đó trong quátrình nhiệt phân sẽ mang khí sinh ra do nhiệt phân nhựa không có oxy qua thiết

bị làm lạnh ngưng tụ Tuy nhiên, nếu tốc độ dòng khí mang chậm, dưới tác động

của nhiệt độ cao trong thiết bị nhiệt phân, hơi nhiệt phân có khả năng bị cốc hóa,cracking nhiệt sinh ra nhiều khí không ngưng, làm giảm hiệu suất lỏng của quátrình Nếu tốc độ sục khí nhanh quá thì khí sinh ra từ nhiệt phân sẽ không kịpngưng tụ lại trong thiết bị làm lạnh cũng như thiết bị ngưng tụ, vì thế hiệu suấtthu sản phâm lỏng cũng sẽ giảm Do đó phải lựa chọn tốc độ sục khí phù hợptrong quá trình nhiệt phân.

1.4.5.3.5 Kiểu lò phản ứng:

Hiệu quả truyền nhiệt, hỗn hợp, thời gian lưu dạng dung dịch và dạng khí,vật chất sinh ra chủ yếu sẽ được quyết định tùy theo hình thức của lò phản ứng.Thông thường, nhiệt độ phản ứng càng cao thì càng thúc đẩy tạo ra hỗn hợp vậtchất có phân tử nhỏ, trường hợp nhiệt độ cao trong lò phản ứng càng kéo dàithì phân tử lớn được sinh ra ở nhiệt độ thấp sẽ nằm lại dưới đáy lò phản ứng vàphân hủy thành phân tử nhỏ hơn; trái lại phân tử nhỏ hơn sinh ra trong nhiệt độcao sẽ dễ dàng được thải ra ngoài từ phần trên của lò phản ứng nhờ vào trọnglượng của chúng Dầu nhiệt phân thu được từ nhiệt độ thấp trong trường hợpnày sẽ sinh ra có điểm sôi thấp hơn (kích cỡ của phân tử càng nhỏ hơn) so vớidầu nhiệt phân thu được trong nhiệt độ cao hơn

Không phát sinh vấn đề nạp liệu của nhựa phế thải

Dễ dàng điều chỉnh thời gian lưu của nhựa phế thải

Dễ dàng khử cốc sinh ra trong quá trình vận hành.

Hiệu quả truyền nhiệt cao, phân bố nhiệt theo hướng bán kính đồng đều.Chất lượng sản phẩm sinh ra cao

Phương thức quay duy nhất có chi phí đầu tư ban đầu và phí vận hànhphải chăng nhưng phương thức quay 2 lần có chi phí đầu tư ban đầu khácao

Phế thải nóng chảy ở nhiệt độ cao

Không phát sinh hiện tượng cốc hóa

Mỗi loại xúc tác sẽ cho hiệu ứng khác nhau tương ứng hiệu suất của quátrình nhiệt phân Chất lượng sản phẩm cũng phụ thuộc vào loại xúc tác cho quátrình: xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng nhiệt phân, từ đó giúp cho thời giannhiệt phân diễn ra nhanh hơn Mỗi loại xúc tác có tính chất và đặc tính khácnhau, vì vậy tuỳ từng loại xúc tác mà phản ứng nhiệt phân xảy ra khác nhaudẫn đến thành phần sản phẩm sẽ khác nhau và hiệu suất tạo sản phẩm đối vớimỗi loại xúc tác cũng không hoàn toàn giống nhau Bên cạnh chất xúc tác thìnồng độ xúc tác cũng đóng vai trò quyết định mỗi kim loại sẽ có một nồng độtối ưu để cho hiệu suất cao nhất cho quá trình nhiệt phân

1.4.5.4 Sơ đồ nhiệt phân nhựa phế thải:

1.4.5.5.2 Sấy tách ẩm:

Rác thải nilon được đưa vào thiết bị sấy sẽ thu nhiệt từ không khí nóngcủa thiết bị phản ứng, nhiệt độ của rác thải nilon đạt trên 1000C, quá trìnhthoát hơi ẩm xảy ra mãnh liệt, khi nhiệt độ tiếp tục tăng đến khoảng 1200C -

1500C thì nilon sẽ chảy ra và được máy đùn đưa vào thiết bị phản ứng

1.4.5.5.3 Thiết bị phản ứng:

Tại đây sẽ xảy ra quá trình phân hủy nhiệt tạo khí và cặn carbon Quá trìnhnhiệt phân nilon thường bắt đầu từ 2500C – 6500C, mạch polime trong nilon sẽ

bị bẻ gãy thành các mạch ngắn hơn, và chuyển thành hơi hydrocarbon nhờnhiệt độ cao Hơi hydrocarbon này sẽ tiếp tục bị nhiệt phân xúc tác, để tạothành phân đoạn có nhiệt độ sôi thấp hơn Tùy vào loại xúc tác sử dụng màthành phần phân đoạn sẽ khác nhau Cặn năng không thể nhiệt phân sẽ hìnhthành tro và cặn carbon.

1.4.5.5.4 Thiết bị chưng cất:

Hơi nhiệt phân được ngưng tụ thành dầu nhiệt phân, trước khi cho vàothiết bị chưng cất phân đoạn Trong thiết bị chưng cất, dầu nhiệt phân đượcgia nhiệt để thu các phân đoạn : khí gas, xăng (400C -1500C), dầu hỏa -diesel(1200C -3500C), dầu nhờn (> 3500C)

Khí gas không ngưng tụ được thu gom vào bồn chứa Rồi sau đó nó cùngvới dầu nhờn sẽ được đưa vào lò đốt nhằm gia nhiệt cho thiết bị phản ứng

CHƯƠNG II:

QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT DẦU NHIỆT PHÂN TỪ NHỰA PHẾ THẢI