Thiết kế thiết bị tuyển nổi bằng vi bọt khí dùng phân loại chất thải nhựa ứng dụng trong tái chế nhựa

IUH1819 BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Thiết kế thiết bị tuyển vi bọt khí dùng phân loại chất thải nhựa ứng dụng tái chế nhựa Mã số đề tài: 20/1.5MT01 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thị Thanh Trúc Đơn vị thực hiện: Viện Khoa học Công nghệ Quản lý Môi trường LỜI CÁM ƠN Để thực hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này, nhận hỗ trợ Nhà trường, Phịng ban Đơn vị chủ quản Nhóm Nghiên cứu, gia đình đồng nghiệp động viên suốt thời gian thực đề tài Tôi xin chân thành cám ơn: - Ban Giám hiệu trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh - Viện Khoa học Công nghệ Quản lý Môi trường – Đơn vị chủ quản - Lãnh đạo, chuyên viên Phòng Quản lý Khoa học Hợp tác quốc tế - Lãnh đạo, chun viên Phịng Tài Kế tốn - Nhóm nghiên cứu mạnh Giải pháp Xanh Nhóm thực đề tài - Cám ơn gia đình, đồng nghiệp động viên giúp đỡ trình thực Xin chân thành cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh ngày 15/03/2023 Chủ nhiệm đề tài Nguyễn Thị Thanh Trúc PHẦN I THÔNG TIN CHUNG I Thông tin tổng quát 1.1 Tên đề tài: Thiết kế thiết bị tuyển vi bọt khí dùng phân loại chất thải nhựa ứng dụng tái chế nhựa 1.2 Mã số: 32/HĐ-ĐHCN 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Họ tên (học hàm, học vị) Nguyễn Thị Thanh Trúc (Tiến sĩ) Nguyễn Thị Lan Bình (Tiến sĩ) Trần Quốc Hồn (Tiến sĩ) Lê Hùng Anh (Phó giáo sư, Tiến sĩ) Nguyễn Xn Tịng (Tiến sĩ) Nguyễn Trung Hồng (Thạc sĩ) Đơn vị cơng tác Vai trị thực đề tài Viện Khoa học Cơng nghệ Quản lý Môi trường, ĐH Công nghiệp Tp Chủ nhiệm đề tài HCM Viện Khoa học Công nghệ Quản lý Môi trường, ĐH Công nghiệp Tp Thư ký - Thành HCM Đại học Trần Đại Nghĩa viên Thành viên Viện Khoa học Công nghệ Quản lý Môi trường, ĐH Công nghiệp Tp Thành viên HCM Viện Khoa học Công nghệ Quản lý Môi trường, ĐH Công nghiệp Tp Thành viên HCM Trợ lý dự án Viện Khoa học Công nghệ Quản lý Môi trường, Thành viên ĐH Công nghiệp Tp HCM 1.4 Đơn vị chủ trì: Viện Khoa học Cơng nghệ Quản lý Môi trường 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 03 năm 2020 đến tháng 03 năm 2021 1.5.2 Gia hạn (nếu có): 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 05 năm 2020 đến tháng 12 năm 2022 1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): (Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết nghiên cứu tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến Cơ quan quản lý) - Theo thuyết minh, đề tài sử dụng phương pháp xử lý bề mặt oxy hóa hệ H2O2/ siêu âm Tuy nhiên, trình thực phương pháp cơng bố tạp chí quốc tế Nên để đảm bảo tính nghiên cứu đề tài thay đổi phương pháp xử lý bề mặt sử dụng vật liệu CaO có nguồn gốc tự nhiên (như từ vỏ trứng, vỏ ngêu) để xử lý bề mặt nhựa trước tuyển - Đầu tạo vi bọt khí chưa tạo bọt khí kích thước micro mong đợi, nhiên kết phân loại nhựa đạt hiệu cao Do vậy, đề tài thay đổi hệ vi bọt khí thành bọt khí Kết đề tài giữ mặt thiết bị phân tách nhựa theo nguyên lý tuyển - Trong thuyết minh, hiệu trình phân tách nhựa tuyển sử dụng chất tạo bọt cơng nghiệp Q trình thực hiện, đề tài thử nghiệm phát triển dung mơi tạo bọt có nguồn gốc tự nhiên hỗ trợ cho tuyển Mục đích nhằm thay hóa chất cơng nghiệp, tối ưu hóa an tồn mơi trường kinh tế - Q trình phân tích bề mặt nhựa trước sau xử lý (nội dung 2) đề xuất: Phân tích phổ hồng ngoại (FTIR), phổ quang điện tử tia X (XPS), kính hiển vi điện tử (SEM), kính hiển vi quang phổ tán xạ lượng (EDX) Tuy nhiên, dịch COVID-19, mẫu gửi sang Hàn Quốc để đo XPS (hiện Việt Nam có máy Hà Nội báo hỏng) Vì vậy, xin đề nghị bỏ nội dung phân tích XPS Bên cạnh đó, phần kinh phí để đo tiêu xin chuyển cho đo SEM FTIR (cần thêm tăng lượng mẫu) Các kiến nghị gửi Báo cáo tiến độ đề tài NCKH cấp trường vào tháng 11/2020 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: 25 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Công nghệ tái chế nhựa Việt Nam thường có hiệu thấp, chi phí cao gây nhiễm mơi trường thực doanh nghiệp tư nhân, chưa có tổ chức với quy mơ cơng nghiệp thiếu phân loại trước đưa vào tái chế Các sản phẩm thứ cấp sau trình tái chế hỗn hợp nhựa có chất lượng thấp dẫn đến giá trị thị trường giảm sút so với sản phẩm từ nhựa nguyên sinh Mặt khác, thành phần halogen nguy hại có số loại nhựa chloride PVC (Polyvinyl chloride) hình thành chất độc dioxin, furan tái chế phương pháp đốt hay nhiệt phân khơng kiểm sốt Bên cạnh đó, nhựa chứa thành phần halogen thường khơng tương thích với nhựa khác q trình tái chế Do đó, việc phân loại nhựa trở nên thiết yếu đóng góp trình tái chế chất thải nhựa nhằm giảm bớt gánh nặng mơi trường tăng lợi ích kinh tế Hiện phương pháp tuyển (froth flotation) đánh giá mang lại hiệu cao, quy trình đơn giản, dễ ứng dụng chi phí thấp, phù hợp quy mô công nghiệp với hiệu suất tách cao Đề tài thiết kế hệ thống tuyển bọt khí quy mơ phịng thí nghiệm để thực phân tách PVC từ hỗn hợp chất thải nhựa PVC từ hỗ hợp nhựa sau thu gom cách hiệu dựa nguyên lý tuyển Áp dụng phân loại hiệu nhằm cải thiện chất lượng giá thành cho sản phẩm tái chế giảm bớt thách thức cho việc quản lý xử lý Mục tiêu 2.1 Mục tiêu tổng quát Mục tiêu tổng quát đề tài nhằm thiết kế thiết bị phân loại nhựa thải chứa thành phần halogen (PVC) khỏi hỗn hợp chất thải nhựa dựa chế tuyển bọt khí Đồng thời đánh giá hiệu phân tách nhựa kết hợp phương pháp xử lý bề mặt tuyển bọt khí 2.2 Mục tiêu cụ thể Đề tài thực dựa mục tiêu cụ thể sau: - Thiết kế mơ hình phân loại nhựa sử dụng tuyển bọt khí dựa nguyên lý khác biệt khả thấm ướt bề mặt - Nghiên cứu kỹ thuật xử lý bề mặt đơn giản, hiệu để nâng cao hiệu suất tách nhựa tuyển vi bọt khí - Đánh giá hiệu tách nhựa PVC khỏi hỗn hợp chất thải nhựa từ đề xuất quy trình phân tách nhựa hiệu áp dụng cho sở, nhà máy tái chế chất thải nhựa Phương pháp nghiên cứu NỘI DUNG 1: Thiết kế lắp đặt thiết bị phân tách nhựa − Cách tiếp cận: Dựa nguyên lý tuyển bọt khí để thiết kế thiết bị − Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: + Lắp đặt thiết bị: Hệ thống tuyển bao gồm cột phản ứng thuỷ tinh/mica chứa đầy nước, dung môi để tách nhựa Đĩa tạo vi bọt khí đặt đáy cột phản ứng nối với máy bơm khí Một thiết bị đo dịng sử dụng để đo tốc độ dịng khí đưa vào cột phản ứng Máy khuấy tự động sử dụng để đảo trộn mẫu nhựa q trình thí nghiệm nhằm tăng cường tương tác bọt bóng khí bề mặt nhựa NỘI DUNG : Phân tách nhựa PVC khỏi hỗn hợp loại nhựa thải khác sử dụng thiết bị tuyển bọt khí − Cách tiếp cận: Dựa nguyên lý tuyển bọt khí − Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: Phương pháp chuẩn bị mẫu nhựa: Các mẫu chất thải nhựa phục vụ cho nghiên cứu bao gồm PVC (polyvinyl chloride), PET (Polyethylene terephthalate), PS (polystyrene), PC (Polycarbonate), ABS (Acrylonitrile butadiene styrene), Các mẫu thu gom từ sản phẩm có chứa nhựa qua sử dụng Các mẫu nhựa cắt kềm inox sàn lọc theo kích thước đồng (5 mm, 10 mm, 20 mm) Sau đó, mẫu nhựa rửa làm khơ tự nhiên nhiệt độ phịng, 25 - 30 oC Các mẫu nhựa phân tích quang phổ chuyển đổi hồng ngoại (FTIR) để xác định loại nhựa chuẩn Mẫu nhựa sử dụng có màu sắc khác để tiện cho việc đánh giá hiệu suất tuyển Các phương pháp xử lý bề mặt bao gồm (Các nhóm thí nghiệm điều kiện tuyển thực độc lập theo phương pháp xử lý bề mặt khác nhau, thành nghiên cứu độc lập đề tài): - Thực xử lý bề mặt vật liệu CaO điều chế từ vỏ trứng: Vỏ trứng sau xử lý sơ thực nung 900oC thời gian để biến đổi calcium carbonate thành calcium oxide Mẫu xay nhuyễn sấy nhiệt độ 105C đến khối lượng không đổi Mẫu vi vật liệu CaO bảo quản tủ hút ẩm để sử dụng cho thí nghiệm tuyển Xử lý bề mặt nhựa thực sau: Hịa lít nước với 5g CaO, sau cho mẫu nhựa vào đun máy khuấy từ gia nhiệt nhiệt độ phòng (28 – 32C) 30 phút Sau xử lý mẫu thực tuyển hệ thống tuyển Điều chỉnh pH HCl NaOH, nồng độ chất tạo bọt trình thực - Thực xử lý bề mặt vật liệu CaO điều chế từ vỏ nghêu: Vỏ nghêu thu gom, rửa nước cất sấy khô ánh nắng mặt trời 48 Sau nung lị nung mơi trường khơng khí nhiệt độ khác (700oC, 800oC, 900oC, 1000oC) thời gian khác (30 phút, 60 phút, 120 phút, 180 phút) Tiếp theo, mẫu cho qua máy nghiền có cơng suất cao nghiền nhuyễn thời gian phút để giảm kích thước mẫu nung Cuối cùng, mẫu sấy nhiệt độ 105C thời gian Vật liệu CaO sau nung nhiệt độ thời gian khác sử dụng để xử lý bề mặt nhựa Xử lý bề mặt môi trường siêu âm thực với việc cho mẫu nhựa xử lý 5g CaO cốc thủy tinh (beaker) 1000 mL để nghiên cứu tách chọn lọc nhựa bị ảnh hưởng xử lý bề mặt với CaO môi trường siêu âm Áp dụng chất tạo bọt từ tự nhiên để phân tách nhựa: Phân tách thực ứng dụng chất tạo bọt công nghiệp (MIBC) chất tạo bọt từ tự nhiên (bồ hòn, bồ kết vỏ cam) Các dung dịch tạo bọt từ tự nhiên điều chế riêng biệt việc cho lượng ngun liệu, thêm nước đun sơi Sau đó, vắt bỏ bã lọc qua giấy lọc Phần nước thu bảo quản tủ lạnh sử dụng cho thí nghiệm phân tách nhựa Đánh giá hiệu suất phân loại: mẫu nhựa có màu sắc khác nên dễ dàng phân tách tay tính tốn thống kê hiệu suất tách dựa độ thu hồi độ tinh khiết Hiệu suất tách chọn lọc tính giá trị trung bình ba kết điều kiện thí nghiệm lặp lại Kết dự kiến: Bảng số liệu hiệu tách PVC khỏi hỗn hợp nhựa điều kiện khác NỘI DUNG : Phân tích đặc tính bề mặt trước sau xử lý bề mặt từ xác định chế phân tách PVC hệ thống tuyển - Cách tiếp cận: Tại điều kiện tối ưu trình xử lý bề mặt, mẫu nhựa đem kiểm tra đặc tính bề mặt thay đổi so với trước xử lý bề mặt Từ giải thích chế trình tuyển − Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng: + Phương pháp kiểm tra đặc tính bề mặt: • Phân tích phổ hồng ngoại (FTIR) để xác định nhóm chức dạng liên kết có vật liệu • Sử dụng kính hiển vi điện tử (SEM) quét để nghiên cứu hình thái bề mặt mẫu nhựa trước sau xử lý bề mặt • Kính hiển vi quang phổ tán xạ lượng xác định cấu trúc thành phần hố học bề mặt (EDX) • Đo góc xúc tác (contact angle) xác định độ thấm ướt bề mặt Kết dự kiến: Bộ liệu thay đổi đặc tính ưa/kỵ nước bề mặt chất thải nhựa điều kiện xử lý bề mặt tối ưu Từ đưa chế phân tách PVC từ hỗn hợp nhựa thải theo phương pháp xử lý bề mặt chất tạo bọt bề mặt khác Hình Nội dung nghiên cứu phạm vi đề tài Tổng kết kết nghiên cứu Đề tài nghiên cứu khoa học “Thiết kế thiết bị tuyển vi bọt khí dùng phân loại chất thải nhựa ứng dụng tái chế nhựa” hoàn thành nội dung đề Tổng kết sau: Đề tài thiết kế thiết bị tuyển bọt khí quy mơ phịng thí nghiệm Thiết bị sử dụng dùng phân tách nhựa từ hỗn hợp chất thải nhựa, ứng dụng tái chế chất thải nhựa Hệ thống tuyển thiết kế với thiết bị sau: - Một cột tuyển (cột phản ứng) hình trụ lắp thẳng đứng giá làm không gian để thực tuyển Khơng khí cung cấp vào bình thông qua khuếch tán nằm đáy bình Tấm khuếch tán dạng chất liệu ceramic có vi lỗ khí Sau thực kiểm định khả tạo bọt khí phân tán bọt khí q trình làm sạch, thành bình với vật liệu nhựa mica chọn lựa với chiều cao 350mm, đường kính 90mm gắn đế giữ chân - Hai máy sục Resun ACO – 001 (Đài Loan, Trung Quốc) với công suất 18W lưu lượng khí 38 L/phút sử dụng để bơm cấp khí cho cột tuyển - Lưu lượng kế đo khí có van điều chỉnh (2 – 10 L/phút) giúp máy thổi khí cung cấp dịng khí thơng qua phân phối khí đặt đáy bình thủy tinh với vận tốc thổi – 2,5 L/phút để tạo bọt bóng khí - Ngồi hộp cơng tắc điện có điều chỉnh máy bơm sục khí Trên giá đứng cột tuyển lắp động nối dài cánh khuấy nhằm tạo dòng đảo trộn phần dung dịch lòng cột tuyển nổi, giúp tăng tương tác bọt khí sục khí Hệ thống sử dụng nghiên cứu vẽ minh họa Hình Các bước vận hành thực sau: Bước 1: Làm cột tuyển cách cho nước vào bật cơng tắc bơm khí 2-3 lần để loại bỏ bụi bám bẩn đĩa tạo bọt khí Phần nước loại bỏ sau trình sục Bước 2: Cho lượng nước vừa đủ đến thành bình Bước 3: Cho lượng nhựa/hỗn hợp nhựa sau xử lý bề mặt để đánh giá hiệu tuyển Kết hợp cho dung dịch tạo bọt Bảng 10 Đối sánh nghiên cứu với nghiên cứu trước Chìm (%) Nổi (%) Phương pháp Chi phí (USD/1 tấn) Tác giả C.Wang [118] Nhựa Tinh khiết Thu hồi Nhựa Tinh khiết Thu hồi Xử lý siêu âm kết hợp với KMnO4 PVC >99 >99 PET >99 >99 392.21 Nano Fe/Ca/CaO kết hợp với ozon hóa Nhựa chứa BFRs (PVC/ABS/ HIPS) 100 PET, PC, PA, PMMA, - - 601.6 - - ~ 100 S.R Mallampati Nano kim loại Ca/CaO kết hợp với khuấy từ PVC 100 96,4% ABS, PP, PS – HIPS, PC, POM, PET, Xử lý Ca(ClO)2 PVC >96 100 PMMA, PET, PS >96 100 Xử lý siêu âm kết hợp với H2 O2 PVC 100 100 PET - - 404.23 ClO2 kết hợp khuấy từ PVC 99 97 PC - - 450.52 [119][64] - J.Wang [120] N.T.Thanh Truc [41] Y.Zhang [121] 69 Chìm (%) Nổi (%) Phương pháp Chi phí (USD/1 tấn) Tác giả Nhựa Tinh khiết Thu hồi Nhựa Tinh khiết Thu hồi CaO từ vỏ trứng PVC 90,9 85 ABS, PET, PC - - ~450 Nghiên cứu CaO từ vỏ nghêu kết hợp với siêu âm PVC 96,15 83,33 PS, ABS, PC 100