bài giảng tổng quan về chất xúc tác

Mở Đầu Chương 1: Giới thiệu về chất xúc tác 1.1Khái niệm và ứng dụng của xúc tác Chất xúc tác là những chất có thể làm thay đổi vận tốc của phản ứng hoá học, nhưng chất xúc tác lại không hề thay đổi gì (về chất cũng như lượng) sau khi phản ứng hoá học đã xảy ra.Chất xúc tác có vai trò quan trọng trong công nghiệp hoá học. Chất xúc tác có thể tăng tốc độ phản ứng hoá học lên nhiều lần, hàng chục lần, hàng trăm lần, nên rút ngắn được thời gian, tăng cao hiệu suất sản xuất. Ví dụ trong các nhà máy sản xuất phân đạm người ta thường dùng sắt làm chất xúc tác để tăng vận tốc phản ứng giữa nitơ và hyđro qua tác dụng xúc tác bề mặt, nhờ đó nitơ và hyđro trong hỗn hợp dễ tạo thành amoniac. Nếu không có chất xúc tác thì trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, phản ứng tổng hợp amoniac sẽ xảy ra với tốc độ rất chậm, không thể tiến hành sản xuất với lượng lớn. Chất xúc tác còn có khả năng chọn lịch trình cho phản ứng hoá học. Chất xúc tác có thể giúp chọn các bước phản ứng phù hợp với con đường mà người ta đã thiết kế, phản ứng sẽ xảy ra theo con đường thuận lợi nhất cho quá ưình sản xuất. Ví dụ khi dùng rượu etylic làm nguyên liệu thì tuỳ thuộc việc chọn chất xúc tác và điều kiện phản ứng mà ta có thể nhận được các sản phẩm phản ứng khác nhau. Nếu chọn bạc làm chất xúc tác và đưa nhiệt độ lên đến 550°c, rượu etylic sẽ biến thành axetalđehyd; nếu dùng nhôm oxit làm xúc tác và ở nhiệt độ 350°c ta sẽ nhận được etylen; nếu dùng hỗn họp kẽm oxit và crom (III) oxit làm chất xúc tác và ở nhiệt độ 450°c ta sẽ thu được butylen; nếu dùng axit sunfuric đặc làm xúc tác và giữ nhiệt độ 130 140°c ta sẽ có ete etylic. Từ đó có thể thấy chất xúc tác có vai trò rất to lớn trong sản xuất công nghiệp hoá học, và quả là hòn đá chỉ vàng trong ngành công nghiệp này. Chất xúc tác quả đã mở rộng cánh cửa cho sản xuất hoá học. Trong không khí ở thành thị thường bị ô nhiễm do khí thải của ô tô, thành phần khí có hại trong khí thải chủ yếu là nitơ oxit, monoxit cacbon và hyđrocacbon thừa... Ngày nay các nhà khoa học đã tìm được chất xúc tác chế tạo thành thiết bị xúc tác nối vào ống xả khí thải của ô tô. Khi khí xả ô tô qua thiết bị xúc tác sẽ được xử lý, các chất cháy còn dư thừa sẽ bị oxi hoá biến thành cacbon đioxit và nước;nitơ oxit biến thành khí nitơ. Còn như với các vết máu, vết mồ hôi làm hoen ố quần áo để lậu sẽ rất khó giặt sạch. Nếu thêm vào bột giặt một loại men thì các vết máu, vết mồ hôi bám lên vải, không cần phải vò mạnh, cũng tự phân giải và tự hoàtan vào nước. Loại men thêm vào bột giặt chính là chất xúc tác sinh học. Trong tự nhiên có nhiều loại men sinh học có thể dùng năng lượng Mặt Tròi phân giải nước thành hyđro và oxy; biến cacbon đioxit và nước trong không khí thành các họp chất chứa nước và cacbon. Hyđro chính là một trong các nguồn năng lượng sạch có hiệu suất cao. Mà năng lượng Mặt Tròi và nước là nguồn có thể là vô tận, nên nếu có thể dùng chất xúc tác để biến nước thành nhiên liệu hyđro, hoặc biến nước và cacbon đioxit thành thức ăn gia súc, thậm chí thành thực phẩm cao cấp quả là một điều khó tưởng tượng hết hiệu quả. Nếu có thể dùng chất xúc tác sinh học làm được việc đó thì nó sẽ đem lại cho loài người nhiều lọi ích to lớn. Xúc tác đống vai trò quan trọng có đến khoảng 60% các công trình công nghệ khoa học, 90% sản phẩm công nghiệp hóa học có sử dụng xúc tác, thì trường xúc tác hiện nay đc đánh giá là vào khoảng 12 tỷ USD năm. Những năm gần đây trước những viển cảnh nguồn dầu mỏ cạn kiệt, môi trường bị suy thoái nghiêm trọng thì xúc tác là niềm hy vọng trong việc sản xuất năng lượng mới, vật liệu mới, các quá trình sản xuất sạch hơn, ít thải hơn mà đỉnh cao là hóa học xanh, xúc tác đồng thời cũng đã và sẽ là vũ khí hữu hiệu trong công cuộc bảo vệ môi trường. Trong việc ứng dụng bảo vệ môi trường thì bạn tham khảo tại đây Xúc tác sinh học Protease ứng dụng trong sản xuất nước mắm, tương, chao, phomai, sữa... Trong công nghiệp thực phẩm thì dùng làm mềm thịt. Trong công nghiệp thuộc da thì làm mềm da, sạch lông, bóng da... Trong hương liệu mỹ phẩm như kem thoa, kem cạo râu, dầu gội, dầu bôi tóc...để làm cho da tóc mềm mại tẩy bỏ dễ dàng tế bào già... xà phòng, kem giặt có enzym sẽ dễ dàn tẩy bỏ vết bẩn. Trong y học dùng để sản xuất môi trường dinh dưỡng nuôi vi sinh vật, sản xuất huyết thanh miễn dịch... 1.2.1 Xúc tác sinh học Sự sống là quá trình trao đổi vật chất liên tục, quá trình đó bao gồm hàng loạt phản ứng phân giải và tổng hợp. Kết quả là những chất glucid, lipid, protein... đưa theo thức ăn vào sẽ biến thành thành phần mới của mô bào hoặc thành năng lượng cung cấp cho hoạt động sống. Các quá trình này nếu ở phòng thí nghiệm thường mất nhiều thì giờ, cần nhiều hoá chất, nhiệt độ cao mà kết quả đôi khi không phân hoá triệt để được. Trái lại, ở điều kiện in vi vo (tức là trong sinh thể) các phản ứng sinh hoá học nói trên tiến hành rất dễ dàng, nhanh và hiệu quả rất cao. Đó là nhờ sự xúc tác của hệ thống enzym Lịch sử về enzym . Trước kia người ta đưa ra thuyết sinh lực thuyết này cho rằng các quá trình sống được điều khiển bởi một lực huyền bí không thể tìm hiểu được. Nhưng ngáy từ đầu thế kỷ XVIII người ta đã bắt đầu tìm tòi về quá trình tiêu hoá. Năm 1783 một người Ý tên là Spalacani gói thịt vào mảnh lưới thép rồi cho diều hâu nuốt, khi kéo lưới ra thì thịt đã bị hoà tan hết. Ông đưa ra kết luận là thịt bị một loại chất có tác dụng đặc biệt hoà tan. Mãi đến năm 1811 1814 nhà bác học Nga Kiếcgốp tìm ra trong mầm lúa một chất có khả năng biến tinh bột thọ đường maltose. Gần 19 năm sau, 1833, Phi en và Pec xô mới phân lập được chất đó dưới dạng tinh thể mà ngày nay chúng ta gọi là enzym amylase. Tuy người Cổ Đại đã biết dùng enzym vào việc sản xuất lườn, thuộc da, làm bánh mì, làm phomat, làm mắm, ủ tương... nhưng sự nghiên cứu về enzym có thể nói chỉ phát triển từ cuối thế kỷ XIX. Sang đầu thế kỷ XX, những phát hiện về enzym thu được càng nhiều, người ta đần dần biết được bản chất hoá học của enzym là protein, đã thu được nhiều enzym tinh khiết (sanmer 1926) đã phát hiện được cấu tạo nhóm ghép của enzym (Wilstaetter 1920 1930). Riêng việc nghiên cứu các enzym tiêu hoá đã được nhà sinh lý học người Nga Páp lốp đóng góp đáng kể. Cho tới nay các kiến thức về enzym đã tập hợp thành một môn học sâu rộng. Đó là môn enzym học (enzymologia). Hiện tượng xúc tác Hiện tượng xúc tác là hiện tượng làm tăng tốc độ phản ứng để cho hệ thống chóng đạt tới trạng thái cân bằng động. A + B ↔ AB Bằng những chất hoặc đưa từ ngoài vào cơ thể hoặc nó tự sản sinh trong quá trình phản ứng, bản chất của chất xúc tác là không tham gia vào sản phẩm cuối cùng của phản ứng. A + B + K ↔ AB + K Trong sinh thể các chất tham gia xúc tác các phản ứng hoá học gọi là enzym. Định nghĩa về enzym Enzym là chất xúc tác sinh học, nhờ có enzym mà các phản ứng sinh hoá học xảy ra với một tốc độ rất nhanh, chính xác, nhịpnhàng, hiệu quả cao và tiết kiệm năng lượng. Người ta cho rằng enzym là động cơ đầu tiên để sự sống biểu hiện bằng các hiện tượng sống. 1.2.2 Xúc tác Zeolite

Mở Đầu Chương 1: Giới thiệu về chất xúc tác

1.1Khái niệm và ứng dụng của xúc tác

Chất xúc tác là những chất có thể làm thay đổi vận tốc của phản ứng hoá học, nhưng chất xúc tác lại không hề thay đổi gì (về chất cũng như lượng) sau khi phản ứng hoá học đã xảy ra.Chất xúc tác có vai trò quan trọng trong công nghiệp hoá học Chất xúc tác có thể tăng tốc độ phản ứng hoá học lên nhiều lần, hàng chục lần, hàng trăm lần, nên rút ngắn được thời gian, tăng cao hiệu suất sản xuất Ví dụ trong các nhà máy sản xuất phân đạm người ta thường dùng sắt làm chất xúc tác

để tăng vận tốc phản ứng giữa nitơ và hyđro qua tác dụng xúc tác bề mặt, nhờ đó nitơ và hyđro trong hỗn hợp dễ tạo thành amoniac

Nếu không có chất xúc tác thì trong cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất, phản ứng tổng hợp amoniac sẽ xảy ra với tốc độ rất chậm, không thể tiến hành sản xuất với lượng lớn

Chất xúc tác còn có khả năng chọn lịch trình cho phản ứng hoá học Chất xúc tác

có thể giúp chọn các bước phản ứng phù hợp với con đường mà người ta đã thiết

kế, phản ứng sẽ xảy ra theo con đường thuận lợi nhất cho quá ưình sản xuất Ví

dụ khi dùng rượu etylic làm nguyên liệu thì tuỳ thuộc việc chọn chất xúc tác và điều kiện phản ứng mà ta có thể nhận được các sản phẩm phản ứng khác nhau Nếu chọn bạc làm chất xúc tác và đưa nhiệt độ lên đến 550°c, rượu etylic sẽ biến thành axetalđehyd; nếu dùng nhôm oxit làm xúc tác và ở nhiệt độ 350°c ta sẽ nhận được etylen; nếu dùng hỗn họp kẽm oxit và crom (III) oxit làm chất xúc tác

và ở nhiệt độ 450°c ta sẽ thu được butylen; nếu dùng axit sunfuric đặc làm xúc tác

và giữ nhiệt độ 130 - 140°c ta sẽ có ete etylic Từ đó có thể thấy chất xúc tác có vai trò rất to lớn trong sản xuất công nghiệp hoá học, và quả là "hòn đá chỉ vàng" trong ngành công nghiệp này

Chất xúc tác quả đã mở rộng cánh cửa cho sản xuất hoá học Trong không khí ở thành thị thường bị ô nhiễm do khí thải của ô tô, thành phần khí có hại trong khí thải chủ yếu là nitơ oxit, monoxit cacbon và hyđrocacbon thừa Ngày nay các nhà khoa học đã tìm được chất xúc tác chế tạo thành thiết bị xúc tác nối vào ống

xả khí thải của ô tô Khi khí xả ô tô qua thiết bị xúc tác sẽ được xử lý, các chất cháy còn dư thừa sẽ bị oxi hoá biến thành cacbon đioxit và nước;nitơ oxit biến thành khí nitơ Còn như với các vết máu, vết mồ hôi làm hoen ố quần áo để lậu sẽ rất khó giặt sạch Nếu thêm vào bột giặt một loại men thì các vết máu, vết mồ hôi bám lên vải, không cần phải vò mạnh, cũng tự phân giải và tự hoàtan vào nước Loại men thêm vào bột giặt chính là chất xúc tác sinh học

Trong tự nhiên có nhiều loại men sinh học có thể dùng năng lượng Mặt Tròi phân giải nước thành hyđro và oxy; biến cacbon đioxit và nước trong không khí thành

Trang 1

các họp chất chứa nước và cacbon Hyđro chính là một trong các nguồn năng lượng sạch có hiệu suất cao Mà năng lượng Mặt Tròi và nước là nguồn có thể là

vô tận, nên nếu có thể dùng chất xúc tác để biến nước thành nhiên liệu hyđro, hoặc biến nước và cacbon đioxit thành thức ăn gia súc, thậm chí thành thực phẩm cao cấp quả là một điều khó tưởng tượng hết hiệu quả Nếu có thể dùng chất xúc tác sinh học làm được việc đó thì nó sẽ đem lại cho loài người nhiều lọi ích to lớn Xúc tác đống vai trò quan trọng có đến khoảng 60% các công trình công nghệ khoa học, 90% sản phẩm công nghiệp hóa học có sử dụng xúc tác, thì trường xúc tác hiện nay đc đánh giá là vào khoảng 12 tỷ USD/ năm

Những năm gần đây trước những viển cảnh nguồn dầu mỏ cạn kiệt, môi trường bị suy thoái nghiêm trọng thì xúc tác là niềm hy vọng trong việc sản xuất năng lượng mới, vật liệu mới, các quá trình sản xuất sạch hơn, ít thải hơn mà đỉnh cao

là hóa học xanh, xúc tác đồng thời cũng đã và sẽ là vũ khí hữu hiệu trong công cuộc bảo vệ môi trường

Trong việc ứng dụng bảo vệ môi trường thì bạn tham khảo tại đây

Xúc tác sinh học

Protease ứng dụng trong sản xuất nước mắm, tương, chao, phomai, sữa

Trong công nghiệp thực phẩm thì dùng làm mềm thịt

Trong công nghiệp thuộc da thì làm mềm da, sạch lông, bóng da

Trong hương liệu mỹ phẩm như kem thoa, kem cạo râu, dầu gội, dầu bôi tóc để làm cho da tóc mềm mại tẩy bỏ dễ dàng tế bào già xà phòng, kem giặt có enzym

sẽ dễ dàn tẩy bỏ vết bẩn

Trong y học dùng để sản xuất môi trường dinh dưỡng nuôi vi sinh vật, sản xuất huyết thanh miễn dịch

1.2.1 Xúc tác sinh học

Sự sống là quá trình trao đổi vật chất liên tục, quá trình đó bao gồm hàng loạt phản ứng phân giải và tổng hợp Kết quả là những chất glucid, lipid, protein đưa theo thức ăn vào sẽ biến thành thành phần mới của mô bào hoặc thành năng lượng cung cấp cho hoạt động sống

Các quá trình này nếu ở phòng thí nghiệm thường mất nhiều thì giờ, cần nhiều hoá chất, nhiệt độ cao mà kết quả đôi khi không phân hoá triệt để được Trái lại, ở điều kiện in vi vo (tức là trong sinh thể) các phản ứng sinh hoá học nói trên tiến hành rất dễ dàng, nhanh và hiệu quả rất cao

Đó là nhờ sự xúc tác của hệ thống enzym

Lịch sử về enzym

Trước kia người ta đưa ra thuyết "sinh lực" thuyết này cho rằng các quá trình sống được điều khiển bởi một" lực huyền bí không thể tìm hiểu được

Nhưng ngáy từ đầu thế kỷ XVIII người ta đã bắt đầu tìm tòi về quá trình tiêu hoá

- Năm 1783 một người Ý tên là Spalacani gói thịt vào mảnh lưới thép rồi cho diều hâu nuốt, khi kéo lưới ra thì thịt đã bị hoà tan hết Ông đưa ra kết luận là thịt bị một loại chất có tác dụng đặc biệt hoà tan

Mãi đến năm 1811- 1814 nhà bác học Nga Kiếc-gốp tìm ra trong mầm lúa một chất có khả năng biến tinh bột thọ đường maltose

Gần 19 năm sau, 1833, Phi- en và Pec- xô mới phân lập được chất đó dưới dạng tinh thể mà ngày nay chúng ta gọi là enzym amylase

Tuy người Cổ Đại đã biết dùng enzym vào việc sản xuất lườn, thuộc da, làm bánh mì, làm pho-mat, làm mắm, ủ tương nhưng sự nghiên cứu về enzym có thể nói chỉ phát triển từ cuối thế kỷ XIX

Sang đầu thế kỷ XX, những phát hiện về enzym thu được càng nhiều, người ta đần dần biết được bản chất hoá học của enzym là protein, đã thu được nhiều enzym tinh khiết (sanmer 1926) đã phát hiện được cấu tạo nhóm ghép của enzym (Wilstaetter

1920 - 1930) Riêng việc nghiên cứu các enzym tiêu hoá đã được nhà sinh lý học người Nga Páp - lốp đóng góp đáng kể

Cho tới nay các kiến thức về enzym đã tập hợp thành một môn học sâu rộng

Đó là môn enzym học (enzymologia)

Hiện tượng xúc tác

Hiện tượng xúc tác là hiện tượng làm tăng tốc độ phản ứng để cho hệ thống chóng đạt tới trạng thái cân bằng động

A + B ↔ AB

Bằng những chất hoặc đưa từ ngoài vào cơ thể hoặc nó tự sản sinh trong quá trình phản ứng, bản chất của chất xúc tác là không tham gia vào sản phẩm cuối cùng của phản ứng

A + B + K ↔ AB + K

Trong sinh thể các chất tham gia xúc tác các phản ứng hoá học gọi là enzym Định nghĩa về enzym

Enzym là chất xúc tác sinh học, nhờ có enzym mà các phản ứng sinh hoá học xảy ra với một tốc độ rất nhanh, chính xác, nhịpnhàng, hiệu quả cao và tiết kiệm năng lượng Người ta cho rằng enzym là động cơ đầu tiên để sự sống biểu hiện bằng các hiện tượng sống

1.2.2 Xúc tác Zeolite

Công dụng:

Zeolit là một vật liệu vô cơ mao quản được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp Lọc - Hóa dầu

Vào khoảng những năm cuối thập kỷ 60, đầu thập kỷ 70, các nhà bác học Mỹ

đã tìm ra một loại đất sét mới và khi phân tích thì thấy khác đất sét vô định hình thông thường mà có sự kết tinh đồng đều, có nhiều tính chất ưu việc và đặt tên là zeolit

Zeolit là một aluminosilicat tinh thể Trong thiên nhiên có khoảng 40 loại zeolit được phát hiện Song các ứng dụng quan trọng trong hấp phụ, tách, lọc, xúc tác chủ yếu nhờ vào các zeolit tổng hợp nhân tạo Ngày nay người ta đã tổng hợp được khoảng 200 loại zeolit Tuy nhiên cũng chỉ một số ít trong đó

Trang 3

có ứng dụng công nghiệp.

Những công dụng chủ yếu của zeolit là:

dùng làm rây phân tử : có tác dụng chọn lọc những phân tử có kích thước bé hơn hay bằng kích thước lỗ mao quản, được ứng dụng nhiều trong hóa hữu cơ dùng để lọc nước biển thành nước ngọt: bằng cách giữ lại các phân tử NaCl dùng làm tác nhân xử lý các kim loại trong nước; dùng để lọc nước đục thành nước trong; dùng để loại NH3 trong nước thải

dùng làm chất xúc tác : dùng nhiều nhất trong các phản ứng cracking Zeolit dạng HLaY là xúc tác cracking chủ yếu của công nghiệp Lọc dầu Hằng năm người ta sử dụng lượng xúc tác đó với số lượng khoảng 300 000 tấn/năm dùng làm chất mang cho các loại xúc tác khác

dùng làm chất mang phân bón trong nông nghiệp

Cấu trúc của zeolit

Đơn vị cơ bản của mọi zeolit là tứ diện TO4 bao gồm 1 cation T (Si, Al) được bao quanh bởi 4 ion O2- Nếu T là Si4+ thì tứ diện SiO4 trung hòa về điện tích; nếu T là cation hóa trị 3 thông thường là Al3+ thì tứ diện AlO4- mang một điện tích âm Sự dư thừa 1 điện tích âm này được bù chỉnh bằng một cation hóa trị 1, được gọi là cation bù trừ hay cation đối Khi đó mạng lưới tinh thể của zeolit sẽ được cân bằng Cation bù trừ cũng có thể là cation hóa trị

2, chẳng hạn như

Các tính chất cơ bản của zeolit

a.Tính chất trao đổi cation

Khả năng trao đổi cation là một trong những tính chất quan trọng của zeolit

Do cấu trúc không gian 3 chiều bền vững nên khi trao đổi ion, các thông số mạng của zeolit không thay đổi, khung zeolit không bị thay đổi Đây là đặc tính quý báu mà nhựa trao đổi ion hoặc các chất trao đổi ion vô cơ khác không

có được

Zeolit có khả năng trao đổi một phần hoặc hoàn toàn cation bù trừ Na+ hoặc K+ bằng:

- các cation kiềm khác hoặc bằng các cation kim loại kiềm thổ cho phản ứng bazơ

- các ion kim loại chuyển tiếp hóa trị 2 hoặc hóa trị 3 như các kim loại đất hiếm (Ce, La ) cho các phản ứng oxy hóa khử

- các axit chuyển sang dạng H+ cho các phản ứng cần xúc tác

b Tính chất xúc tác

Zeolit được coi là một xúc tác axit rắn Tính chất axit của zeolit dựa trên 3 yếu tố:

- cấu trúc tinh thể và mao quản đồng nhất của zeolit Chỉ có những phân tử có kích thước thích hợp mới có thể tham gia phản ứng

- sự có mặt của các nhóm hydroxyl axit mạnh trên bề mặt zeolit dạng H-Z Các tâm axit mạnh đó là nguồn tạo ra các ion cacbonium cho các phản ứng theo cơ chế cacbocation

- sự tồn tại một điện trường tĩnh điện mạnh xung quanh các cation có thể cảm ứng khả năng phản ứng của nhiều chất tham gia phản ứng Do đó hoạt tính xúc tác của zeolit phụ thuộc mạnh vào bản chất cation, vào độ axit của các

nhóm hydroxyl bề mặt.

Ví dụ: Me hấp phụ (n+1) phân tử H2O biến thành :

Me(OH)n H2O + nH+

Các proton H+ kết hợp với O của mạng lưới hình thành nhóm OH là tâm axit Bronsted

Nếu Me có hóa trị +1: thì quá trình này không xảy ra vì trường tĩnh điện của Me+1 yếu

Nếu Me có hóa trị +2, +3: sẽ tạo ra trường tĩnh điện mạnh, hình thành những trung tâm OH là những tâm axit Bronsted

Chương 2 Xử lý chất thải rắn

2.1 Tình hình chất thải rắn

Trong 20 năm qua, Việt Nam đã đạt được những bước tiến đáng kể về phát triển kinh tế - xã hội Từ năm 2005 đến nay, GDP liên tục tăng, bình quân đạt trên 7%/năm Năm 2005, tốc độ này đạt 8,43%, là mức tăng trưởng cao nhất trong vòng 9 năm qua Đến cuối năm 2005, dân số Việt Nam là 83.119.900 người Từ năm 2000 - 2005, dân số Việt Nam tăng 5,48 triệu người, trong đó tỉ lệ dân số thành thị tăng từ 24,18% năm 2000 - 26,97% năm 2005, tương ứng tỉ lệ dân số nông thôn giảm từ 75,82% xuống 73,93% Dự báo đến năm 2010, dân số thành thị lên tới 30,4 triệu người, chiếm 33% dân số và đến năm 2020 là 46 triệu người, chiếm 45% dân số cả nước

Năm 1990, Việt Nam có khoảng 500 đô thị lớn nhỏ Tính đến tháng 6/2007 có tổng cộng 729 đô thị các loại, trong đó có 2 đô thị loại đặc biệt (Hà Nội và TP Hồ Chí Minh), 4 đô thị loại I (thành phố), 13 đô thị loại II (thành phố), 43 đô thị loại III (thành phố), 36 đô thị loại IV (thị xã), 631 đô thị loại V (thị trấn và thị tứ) Trong những năm qua, tốc độ đô thị hóa diễn ra rất nhanh đã trở thành nhân tố tích cực đối với phát triển kinh tế – xã hội của đất nước Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích về kinh tế - xã hội, đô thị hóa quá nhanh đã tạo ra sức ép về nhiều mặt, dẫn đến suy giảm chất lượng môi trường và phát triển không bền vững Lượng chất thải rắn phát sinh tại các đô thị và khu công nghiệp ngày càng nhiều với thành phần phức tạp

Lượng chất thải rắn sinh hoạt (CTRSH) tại các đô thị ở nước ta đang có xu thế phát sinh ngày càng tăng, tính trung bình mỗi năm tăng khoảng 10% Tỷ lệ tăng cao tập trung ở các đô thị đang có xu hướng mở rộng, phát triển mạnh cả về quy

mô lẫn dân số và các khu công nghiệp, như các đô thị tỉnh Phú Thọ (19,9%), thành phố Phủ Lý (17,3%), Hưng Yên (12,3%), Rạch Giá (12,7%), Cao Lãnh (12,5%) Các đô thị khu vực Tây Nguyên có tỷ lệ phát sinh CTRSH tăng đồng đều hàng năm và với tỷ lệ tăng ít hơn (5,0%)

Tổng lượng phát sinh CTRSH tại các đô thị loại III trở lên và một số đô thị loại

IV là các trung tâm văn hóa, xã hội, kinh tế của các tỉnh thành trên cả nước lên đến 6,5 triệu tấn/năm, trong đó CTRSH phát sinh từ các hộ gia đình, nhà hàng, các chợ và kinh doanh là chủ yếu Lượng còn lại từ các công sở, đường phố, các

Trang 5

cơ sở y tế Chất thải nguy hại công nghiệp và các nguồn chất thải y tế nguy hại ở các đô thị tuy chiếm tỷ lệ ít nhưng chưa được xử lý triệt để vẫn còn tình trạng chôn lấp lẫn với CTRSH đô thị

2.2 Một số phương pháp xử lý chất thải rắn

thiện với môi trường

Công nghệ nhiệt phân - Một trong những sự lựa chọn thay thế tốt nhất trong xử

lư chất thải rắn có nguồn gốc hữu cơ.

Chất thải công nghiệp và chất thải sinh hoạt (CTCN và CTSH) được phân loại theo nhiều cách khác nhau dựa vào nguồn gốc phát sinh, độc tính, khả n_ng phân hủy hoặc mức độ gây ô nhiễm môi trường Dựa vào thành phần cấu tạo vật chất,

CTCN và CTSH được chia thành hai nhóm: chất thải có nguồn gốc hữu cơ (ví dụ nhựa, cao su, chất thải nông - lâm - ngư nghiệp và chất thải độc hại như dầu thải,

mỡ bôi trơn thải ) và chất thải có nguồn gốc vô cơ (ví dụ phế thải xây dựng, )

Từ trước đến nay, việc quản lư và xử lư CTCN và CTSH vẫn được xem là vấn

đề quan trọng và cấp bách của hầu hết các quốc gia trên thế giới Từ rất lâu, công nghệ nhiệt phân đă được nghiên cứu và áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp, tiêu biểu là ngành công nghiệp chế biến dầu mỏ Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ nhiệt phân để xử lư CTCN và CTSH có nguồn gốc hữu cơ mới được tiếp cận

nghiên cứu và phát triển trong thời gian gần đây, chủ yếu là ở các nước có ngành công nghiệp phát triển

Công nghệ nhiệt phân thuộc nhóm công nghệ nhiệt - hóa và là một trong những giải pháp “công nghệ hiện có tốt nhất” (Best Available Technology - BAT) được các tổ chức môi trường trên thế giới khuyến cáo sử dụng thay thế cho

phương

pháp chôn lấp khi xử lư một lượng lớn CTCN và CTSH có nguồn gốc hữu cơ Bản

chất của công nghệ nhiệt phân là quá tŕnh phân hủy hợp chất có nguồn gốc hữu cơ xảy ra ở điều kiện nhiệt độ phù hợp, có chất xúc tác hoặc không, áp suất thấp, trong môi trường không có ôxy hoặc thiếu ôxy tạo thành than bán cốc (nhiệt trị tương đương than cám 3), dầu nhiệt phân (nhiệt trị tương đương dầu FO) và khí đốt (khí tổng hợp)

Với mục tiêu hhnh thành hướng giải pháp tích cực cho việc xử lư CTCN và CTSH có nguồn gốc hữu cơ, tạo ra sản phẩm có khả n_ng ứng dụng, Viện Nghiên cứu Cơ khí (NARIME) đang thực hiện đề tài ”Nghiên cứu thiết kế, chế tạo tổ hợp thiết bị tái chế chất thải nguồn gốc hữu cơ thành nhiên liệu’’ Sự thành công của hướng công nghệ này kết hợp với công nghệ sinh hóa sẽ cho phép hhnh thành giải pháp xử lư CTCN và CTSH tạo ra sản phẩm có giá trị sử dụng, theo hướng thân

Trang 7

Việc xử lư và tái chế các phế thải có nguồn gốc hữu cơ (cao su, nhựa, gỗ, rác thải sinh hoạt) thông qua công nghệ nhiệt phân, chúng ta sẽ giải quyết được hai bài

toán quan trọng: Một là, giải quyết bài toán môi trường khi các phương pháp xử lư

toluene, xylene, limonene, naphtalen,…có thể xác định trong sản phẩm dầu

2

phế thải truyền thống như chôn lấp hoặc đốt tiêu hủy không c cn hiệu quả Thứ hai, giải quyết bài toán “an ninh n_ng lượng” bởi sản phẩm của quá tŕnh nhiệt phân sẽ

là những sản phẩm có thể tái sử dụng như dầu, than, khí đốt

* Đối tượng nghiên cứu là cao su phế thải

Hàng nam, với sự gia tang không ngừng của các phương tiện giao thông như

ô tô, xe máy đă làm gia t_ng một lượng lớn lốp s_m xe thải ra môi trường Vấn đề tái chế lốp s_m xe sử dụng và các sản phẩm cao su chất thải chung đối với Việt Nam và thế giới nói chung, có tầm quan trọng sinh thái và kinh tế rất lớn Ngoài ra,

tài nguyên thiên nhiên hạn chế và thực tế kinh tế hiện đại đă nhận thấy sự cần

thiết

phải sử dụng nguồn tài nguyên thứ cấp có hiệu quả tối đa

Sản phẩm khí thu được từ quá tŕnh nhiệt phân chất thải cao su hoặc lốp xe phế liệu có thể chứa hydro, metan, etan, propylene, buten, butadiene, …Và

benzel,

Theo nghiên cứu của các chuyên gia khi tiến hành quá tŕnh nhiệt phân được thực hiện trong hệ thống phân tích nhiệt động học tại 3 giá trị thay đổi nhiệt 3; 5 và

7 C/phút (với điều kiện trơ) đă đưa ra những kết luận quan trọng về sự ảnh hưởngo của nhiệt độ, tốc độ gia nhiệt, thành phần đầu vào, lên quá tŕnh nhiệt phân

Chẳng hạn, quá tŕnh nhiệt phân BR (cao su Butadien) và SBR (cao su Styren -Butadien) ở tốc độ gia nhiệt 7 C/phút, chỉ ra rằng nhiệt độ phân hủy SBR vàoo khoảng 220 - 300 C, BR khoảng 250 - 400 C Từ quan điểm về n_ng lượng liêno o kết hóa học, n_ng lượng phân ly liên kết của CH – H là 435kJ/mol, trong khi của3

CH - C H là 389kJ/mol Đây có thể là một trong những lư do chính giải thích tại3 6 5

sao nhiệt độ thiết lập của BR cao hơn của SBR, có nghĩa là sự ổn định nhiệt của

BR cao hơn SBR với cùng điều kiện thí nghiệm

Bên cạnh đó, tỷ lệ phản ứng của hỗn hợp cao su tương ứng với tốc độ phản ứng của thành phần cao su, dựa trên thành phần khối lượng của chúng Những kết quả này được ứng dụng cho việc đánh giá quá tŕnh nhiệt phân của hỗn hợp cao su

Trong điều kiện nghiên cứu thực tế của nhóm thực hiện đề tài, đối tượng cao

su cụ thể được lựa chọn là s_m xe máy, thí nghiệm theo các chế độ nhiệt khác

nhau

(280 C, 320 C, 350 C, 380 C, 430 C) và trong điều kiện không xúc tác Kết quảo o o o o bước đầu đă cho những nhận định khá rơ nét về ảnh hưởng của nhiệt độ, tốc độ gia

nhiệt lên quá tŕnh nhiệt phân

* Đối tượng nghiên cứu là nhựa phế thải

Nhựa (Plastic) phế thải khi chưa được xử lư bằng phương pháp tái sử dụng hoặc là loại khó tinh chế thường được xử lư bằng cách chôn lấp hoặc đốt Tuy nhiên, nhựa phế thải được chôn lấp sẽ phải mất thời gian dài mới có thể phân hủy được, đồng thời nếu đốt thh nhựa PVC có trong hỗn hợp nhựa phế thải sẽ tạo ra khí HCl có tính axit cao và chất dioxin (chất gây ung thư)

Dầu được sản xuất từ quá tŕnh phân nhiệt nhựa phế thải thường dễ lưu trữ

hoặc vận chuyển đến nơi cần thiết để sử dụng, nên có ưu điểm là trở thành nguyên liệu thay thế cho nguồn dầu thô nhập khẩu, do đó công nghệ xử lư nhựa phế thải

3

phi tinh chế thích hợp nhất với mục đích tuần hoàn tài nguyên thân thiện môi

Trường hợp nhiệt phân không xúc tác plastic phế thải thông thường, hiệu suất và thành phần của dầu tạo ra, ngoài chủng loại xúc tác được sử dụng với

plastic phế thải sẽ khác nhau tùy theo: nhiệt độ điện phân, tốc độ gia nhiệt, thời gian nhiệt phân, áp suất, hhnh thức phản ứng

Nhiệt độ nhiệt phân của plastic t_ng dần theo thứ tự PS>PP>PE, trường hợp

là PP và PE sẽ xảy ra phản ứng phân nhiệt tại nhiệt độ khoảng 400-450°C, PVC sẽ

xảy ra sự phân nhiệt lần thứ nhất làm găy kết hợp C-Cl ở nhiệt độ 200-250°C rồi xảy ra sự nhiệt phân lần 2 làm găy liên kết các-bon ở nhiệt độ 350-400°C

Một số sản phẩm của quá trình nhiệt phân xúc tác

2.3 Phương pháp nhiệt phân xúc tác

Là phương pháp nhiệt phân mà trong đó có sử dụng xúc tác để nâng cao hiệu suất thu hồi sản phẩm cần thiết, chọn lọc sản phẩm

Sơ đồ mô tả quá trình tái chế nhựa thành dầu

Trong sơ đồ trên ta thấy chất xúc tác nằm trong giai đoạn chính của quá trình là phản ứng nhiệt phân, có vai trò đẩy nhanh tốc độ phản ứng, làm tăng hiệu suất thu hồi sản phẩm lỏng, nâng cao giá trị kinh tế

Tùy theo điều kiện công nghê có thể sử dụng xúc tác zeolite cho quá trình nhiệt phân người ta có thể sử dụng các dạng phân bố sau

+ Trộn xúc tác trực tiếp vào phế thải

Hình mô tả quá trình nhiệt phân với xúc tác tiếp xúc trực tiếp vào phế thải(cracking xúc tác)

+Tiếp xúc ở trạng thái khí

Sơ đồ mô tả quá trình nhiệt phân với xúc tác tiếp xúc ở trạng thái khí(Reforming)

2.4 Chất xúc tác được sử dụng trong quá trình nhiêt phân xúc tác

Chất xúc tác sử dụng trong quá trình nhiệt phân

Zeolite: Là 1 aluminosilicat tinh thể xốp trong tự nhiên có hơn 400 loại, và hơn 200 tổng hợp được dùng làm xúc tác

Công thức cấu tạo:

Me AlO SiO zH O Một số loại Zeolite

ZSM – 5

ZSM – 11

3A

Y,X

Zeolite 3A có cấu trúc tinh thể xốp,

Dưới dạng hạt

Có kích thước mao quản hẹp khoảng 3,4 đến 4

Có tỉ lệ Si/Al = 1 nên hiệu xuất trao đổi cation lớn,

Với cation được thay thế bằng nên chịu đươc

Nhiệt độ đến 700

Phù hợp cho quá trình nhiệt phân

Trang 9

Ưu điểm của xúc tác zeolite so với các loại xúc tác khác

Chọn lọc hình dạng sản phẩm

Chọn lọc sp phản ứng tạo thành

Chọn lọc sp trung gian

Thời gian phản ứng phụ thuộc vào tốc độ bẻ gãy mạch HC trong quá trình nhiệt phân, với lượng xúc tác lớn thì bề mặt phản ứng cũng tăng lên, nhờ vào các tâm axit của xúc tác Zeolite 3A thì tốc độ này được tăng cao và các ion cacboni cũng hình thành nhỏ hơn Và với đường kính cửa sổ mao quản nhỏ thì khả năng chọn lọc tốt các hydrocacbon có phân tử lượng thấp, cấu trúc mạch không phức tạp với vòng và mạch nhánh dài sẽ làm chất lượng sản phẩm phẩm sẽ được nâng cao Dầu lỏng sẽ chứa nhiều olefin với nhiều aromat hơn

Xúc tác bentonite

Bentonite là 1 loại khoáng sét tự nhiên dạng bôt mịn

Thành phần chính là Montmorillonite (MMT)

Công thức cấu tạo đơn giản nhất là:

Và một số khoáng sét khác như Saponite, nontronite, beidellite chúng có độ acid

bề mặt cao và điện tích bề mặt lớn

Dựa trên kết quả phân tích thành phần hóa học của betonite ngoài các nguyên tố

Si, Al người ta còn phát hiện thấy sự có mặt của các nguyên tố Fe, Ca, Mg, Ti, K, Na

Hàm lượng H2O trên betonite thường dao động trong khoảng n=4:8

Montmorillinonite là aluminosilicat tự nhiên có cấu trúc lớp 2:1, dạng diota được cấu tạo từ 2 mạng lưới bát diện lien kết với 1 mạng lưới bát diên ở giửa tạo nên 1 lưới cấu trúc