Nghiên cứu khả năng thu hồi bis phenol a từ điện thoại di động thải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI =====*****===== BÙI THẾ TÂM NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG THU HỒI BIS-PHENOL A TỪ ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI =====*****===== BÙI THẾ TÂM NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG THU HỒI BIS-PHENOL A TỪ ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THẢI LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Đức Quảng HÀ NỘI 2019 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên cho em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS TS Nguyễn Đức Quảng - Viện Khoa học Công nghệ Môi trƣờng TS Nguyễn Anh Vũ - Viện Kỹ thuật hóa học, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ, hƣớng dẫn, bảo tận tình suốt thời gian em hồn thành luận văn Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Đào tạo sau Đại học thầy giáo, cô giáo Viện Khoa học Công nghệ Môi trƣờng, trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội nhƣ gia đình, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ em hồn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô, anh chị Trung tâm Nghiên cứu nghiên cứu cơng nghệ lọc hóa dầu vật liệu xúc tác-hấp phụ – Đại học Bách Khoa Hà Nội giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình nghiên cứu Và cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ngƣời thân gia đình, bạn bè giúp đỡ, động viên, quan tâm tạo điều kiện cho em suốt trình học tập hoàn thành đồ án tốt ngiệp Hà Nội, tháng năm 2019 Học viên Bùi Thế Tâm i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu sử dụng luận văn tự thực lấy từ Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Viện kỹ thuật Hóa Học thuộc trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, tên đề tài: „„Nghiên cứu khả thu hồi Bis-Phenol A từ điện thọai di động thải”, mã số đề tài: 2016AKTMT-KT02, mà ngƣời tham gia thực (đơn xác nhận đƣợc sử dụng kết nghiên cứu đề tài) Tôi xin cam đoan thông tin trích dẫn Luận văn đƣợc rõ nguồn gốc Tác giả Bùi Thế Tâm ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH vii DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT viii LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan điện thoại di động 1.2 Tổng quan Polycarbonate 1.2.1 Giới thiệu Polycarbonate 1.2.2 Tính chất PC 1.2.3 Các phƣơng pháp tổng hợp nhựa PC 1.2.4 Ứng dụng ƣu điểm nhựa PC 10 1.3 Tổng quan Bisphenol A (BPA) 11 1.3.1 Cấu tạo tính chất BPA 11 1.3.2 Ứng dụng Bisphenol A 13 1.3.3 Tình hình tiêu thụ BPA nhựa PC toàn cầu 14 1.4 Hiện trạng tái chế nhựa PC giới Việt Nam 15 1.4.1 Các phƣơng pháp tái chế nhựa PC giới 15 1.4.2 Các hƣớng nghiên cứu tái chế PC nƣớc 17 1.5 Hiện trạng tái chế PC Việt Nam 17 CHUƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 20 2.2 Quy trình thực nghiệm 20 2.2.1 Quy trình thực nghiệm 22 2.2.2 Hóa chất 24 iii 2.2.3 Dụng cụ thiết bị 24 2.3 Các bƣớc thực nghiệm 25 2.3.1 Chuẩn bị dụng cụ thực nghiệm 25 2.3.2 Các bƣơc lấy mẫu xử lý mẫu 26 2.3.3 Tiến hành thực nghiệm 26 2.3.4 Thực nghiệm khảo sát yếu tố ảnh hƣởng đến độ chuyển hóa nhựa Polycarbonate hiệu suất thu hồi Bisphenol A 27 2.4 Các phƣơng pháp phân tích 28 2.4.1 Phƣơng pháp phân tích đo quang UV-VIS 28 2.4.2 Phƣơng pháp phân tích phổ hồng ngoại 30 2.4.3 Phƣơng pháp cộng hƣởng từ hạt nhân (NMR) 30 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32 3.1 Kết thực nghiệm 32 3.1.1 Chuẩn bị nguyên liệu 32 3.1.2 Phản ứng nhựa Polycacbonate dung môi 32 3.1.3 Kết tinh thu hồi sản phẩm 33 3.2 Kết phân tích 34 3.2.1 Kết phân tích đo quang UV-VIS 34 3.2.2 Kết phân tích phổ hồng ngoại 34 3.2.3 Phƣơng pháp cộng hƣởng từ hạt nhân NMR 35 3.3 Kết khảo sát yếu tố ảnh hƣởng tới độ chuyển hóa PC hiệu suất thu hồi BPA 36 3.3.1 Kết xây dựng đƣởng chuẩn 36 3.3.2 Kết khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ tới trình chuyển hóa PC thu hồi BPA 38 3.3.3 Khảo sát ảnh hƣởng thời gian tới độ chuyển hóa nhựa Polycacbonate 40 3.3.4 Khảo sát ảnh hƣởng tỷ lệ chất tham gia tới độ chuyển hóa PC hiệu suất thu hồi BPA 43 3.3.5 Khảo sát ảnh hƣởng loại chất xúc tác tới độ chuyển hóa nhựa Polycacbonate từ vỏ điện thoại thải 45 iv 3.4 So sánh với kết thu đƣợc từ khảo sát nguồn nguyên liệu đĩa quang thải 47 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 61 v DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1: Tính chất vật lý nhựa PC Bảng 1-2: Một số giá trị tính nhựa Polycacbonate Bảng 1-3: Độ bền hóa học nhựa Polycacbonate môi trƣờng khác Bảng 1-4: Cấu tạo số đặc tính BPA 11 Bảng 1-5: Một số thông số vật lý Bisphenol A 11 Bảng 1-6: Tình hình tiêu thụ BPA Châu Âu 2003 14 Bảng 1-7: Thành phần hạt nhựa sản xuất điện thoại 18 Bảng 2-1: Quy trình pha mẫu lập đƣờng chuẩn 29 Bảng 2-2: Bảng điều kiện phân tích phổ cộng hƣởng từ 1H 30 Bảng 2-3: Bảng điều kiện phân tích phổ cộng hƣởng từ 13C 31 Bảng 3-1: Bảng kết đo mẫu chuẩn 36 Bảng 3-2: Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ đến độ chuyển hóa nhựa PC 38 Bảng 3-3: Bảng kết khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ đến q trình chuyển hóa PC thu hồi BPA 38 Bảng 3-4: Khảo sát ảnh hƣởng thời gian đến độ chuyển hóa nhựa PC 40 Bảng 3-5: Bảng kế khảo sát ảnh hƣởng thời gian phản ứng tới độ chuyển hóa nhựa PC 40 Bảng 3-6: Kết phân tích hàm lƣợng BPA khảo sát theo yếu tố thời gian 41 Bảng 3-7: Khảo sát ảnh hƣởng tỷ lệ chất tham gia 43 Bảng 3-8: Khảo sát ảnh hƣởng hàm lƣợng dung mơi tới độ chuyển hóa nhựa PC hiệu suất thu hồi BPA 44 Bảng 3-9: Kết phân tích hàm lƣợng BPA có mẫu tỷ lệ dung môi thay đổi 44 Bảng 3-10: Khảo sát ảnh hƣởng loại xúc tác tới độ chuyển hóa nhựa PC hiệu suất thu hồi BPA 46 Bảng 3-11: Kết phân tích hàm lƣợng BPA thay đổi chất xúc tác 46 Bảng 3-12: Điều kiện thích hợp cho trinh chuyển hóa PC thu hồi BPA 47 Bảng 3-13: So sánh với kết thu đƣợc từ khảo sát nguồn nguyên liệu từ đĩa quan 47 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1-1: Biểu đồ số lƣợng ngƣời sử dụng điện thoại Việt Nam giai đoạn 2015 – 2022 (Nguồn: báo cáo khảo sát Statista năm 2017) Hình 1-2: Quy trình sản xuất ĐTDĐ Hình 1-3: Một đoạn mạch nhựa PC Hình 1-4: Sơ đồ trình sản xuất Polycarbonate 10 Hình 1-5: Biểu đồ tổng mức tiêu thụ nhựa PC toàn cầu năm 2010 15 Hình 1-6: Cơ chế chuyển hóa PC với xúc tác kiềm mơi trƣờng khí trơ 16 Hình 1-7: Q trình sơ chế nhựa PC sở thu gom địa phƣơng 18 Hình 2-1: Sơ đồ Quy trình thực nghiệm thu hồi BPA từ vỏ điện thoại thải 23 Hình 2-2 : Sơ đồ mơ hình thí nghiệm 25 Hình 2-3: Thiết bị đo quang UV-VIS 29 Hình 2-4: Hình ảnh máy đo phổ NMR BRUKER 31 Hinh 3-1: Nguyên liệu trƣớc sau nghiền 32 Hình 3-2: Dung mơi chất rắn khơng tan thu đƣợc sau phản ứng 33 Hình 3-3: Kết tinh dung dịch sau phản ứng sản phẩm 33 Hình 3-4: Đƣờng chuẩn xác định hàm lƣợng BPA phƣơng pháp UV – VIS 37 Hình 3-5: Khảo sát ảnh hƣởng nhiệt độ tới độ chuyển hóa nhựa Polycacbonate 39 Hình 3-6: Ảnh hƣởng thời gian phản ứng tới độ chuyển hóa PC hiệu suất thu hồi BPA 42 Hình 3-7: Ảnh hƣởng hàm lƣợng dung mơi tới độ chuyển hóa nhựa PC hiệu suất thu hồi BPA 45 vii DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tên tiếng Việt Tên tiếng Anh BPA Bisphenol - A CD Compact Disc DMSO Dimethyl Sulfoxide DVD Digital Versatile Disc ĐTDĐ Mobile Phone EU European Union PC Polycarrbonate PCB Printed circuit board POPs Persistent Organic Pollutants PET Polyethylene Terephthalate THF Tetrahydrofuran viii Mặc dù vỏ nhựa điện thoại có hàm lƣợng Polycacbonate độ chuyển hóa thấp so với đĩa quang nhƣng hiệu suất thu hồi BPA cao thời gian phản ứng nguồn đĩa quang thải kéo dài dẫn đến Bisphenol A tiếp tục bị phân hủy tạo thành sản phẩm phụ nhƣ phenol, axetol, iso-propenylphenol… Vì vậy, nhằm nâng cao hiệu suất thu hồi BPA cần giảm thời gian phản ứng trình số phƣơng pháp nhƣ nghiền nhỏ nguồn nguyên liệu trƣớc đem phản ứng, điều chỉnh áp suất sử dụng lị vi sóng… HV: Bùi Thế Tâm GVHD: PGS TS: Nguyễn Đức Quảng 55 KẾT LUẬN Tái chế nhựa PC thải có vai trị vơ quan trọng mà chất thải có nguồn gốc từ PC ngày gia tăng số lƣợng chủng loại Có nhiều phƣơng pháp đƣợc thực để tái chế chúng, nhiên với xu hƣớng thân thiện môi trƣờng, tái chế nhựa PC phƣơng pháp hóa học sử dụng dung mơi hữu phƣơng pháp cần đƣợc nghiên cứu sâu để áp dụng rộng rãi Hiện trạng tái chế PC Việt Nam dừng mức tháo dỡ, với số sở tái chế dừng mức tái chế thô: băm, nghiền, ép hạt với công nghệ thô sơ, gây ô nhiễm môi trƣờng quanh khu vực tái chế Qua trình thực nghiệm, luận văn tiến hành nội dung: Khảo sát nhiệt độ, thời gian, tỷ lệ chất tham gia phản ứng: dung mơi loại xúc tác nhằm tìm điều kiện tối ƣu phản ứng chuyển hóa PC thành BPA Kết q trình đƣợc tóm tắt: Khoảng nhiệt độ tối ƣu phản ứng chuyển hóa nhựa Polycacbonate 140 oC Thời gian phù hợp phản ứng chuyển hóa nhựa Polycacbonate 120 phút Tỷ lệ chât tham gia phản ứng dung mơi (mPC:mGlyxerol) tối ƣu cho q trính chuyển hóa nhựa PC tùy thuộc vào trƣờng hợp mà lựa chọn tỉ lệ 1:4 Xúc tác sử dụng cho q trình chuyển hóa nhựa PC sử dụng Na2CO3 mà khơng ảnh hƣởng tói hiệu suất thu hồi BPA Khảo sát trạng trạng tái chế nhựa PC Việt Nam nói chung tái chế vỏ điện thoại di động thải có nguồn gốc từ nhựa PC tỉnh Bắc Ninh nói riêng Ngồi khảo sát đƣợc thành phần nhựa PC dùng để sản xuất vỏ điện thoại di động HV: Bùi Thế Tâm GVHD: PGS TS: Nguyễn Đức Quảng 56 KHUYẾN NGHỊ Với kết nghiên cứu cho thấy hƣớng nghiên cứu bền vững, cấp thiết cần đƣợc áp dụng thực tế Tuy nhiên, luận văn số hạn chế, số nội dung chƣa thể thực đƣợc cần nghiên cứu thêm: Nghiên cứu q trình hồn ngun dung mơi xúc tác sau q trình phản ứng nhằm tính bền vững cho q trình xử lý, giảm chi phí cho q trình Nghiên cứu chun sâu q trình chuyển hóa nhựa PC sử dụng lị vi sóng, nhằm giảm thời gian phản ứng, giảm chi phí cho trình xử lý Nghiên cứu sử dụng phần cặn rắn sau q trình chuyển hóa làm phụ gia tăng tải nhựa đƣờng Nghiên cứu hiệu kinh tế để đƣa công nghệ thực với quy mô công nghiệp HV: Bùi Thế Tâm GVHD: PGS TS: Nguyễn Đức Quảng 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO United National Environmental programe (UNEP).E-waste Vol I: Inventory assessment manual-2007 H Schnell: Chemistry and Physics of Polycarbonates, Polymer Reviews, Vol.9, Interscience Publishers, New York 1964 H Vernaleken: “Polycacbonatees” in F Millich, C E Carreher, Jr (eds): Interfacial Synthesis, vol II, Marcel Dekker, New York 1977, p.65-124 D Freitag, U Grigo, D Freitag: “Polycacbonatees” in H F Mark et al (eds.): Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, 2nd ed, vol 11, John Wiley and Sons, New York 198, p 648-718 V Serini, in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley –VCH Verlag GmbH & Co KGaA, 2000 C P Groshart, P C Okkerman, Chemical study on Bisphenol A, Ministerie van Verkeer en Waterstaat, 2001 Mir Mohammad Alavi Nikje, Mohammad Askarzadeh, Green and inexpensive method to recover Bisphenol A from Polycacbonate wastes 2003 Mir Mohammad Alavi Nikje, Mohammad Askarzadeh „„Chemistry DepartmentGreen and Inexpensive Method to Recover Bisphenol-A from Polycarbonate Wastes’’ Polímeros, vol 23, n 1.2013 p 29-31 Nguyễn Duy Toàn- chế tạo khảo sát số tính chất chất tạo màng, sở nhựa epoxy thu từ trình tái chế polycacbonate phế thải (2011) 31-38 10 Nguyen Anh Vu, Nguyen Duc Quang, Vu Ninh, Nguyen Thi Ha Hanh Study on Degradation of Polycarbonate Resin by Glycolysis in Microwave Reactor Journal of Science and Technology (Technical Universities), 118 (2017), pp: 26-29 11 Cao Thành Công, Mai Thế Thống, Nguyễn Anh Vũ, Nguyễn Đức Quảng Nghiên cứu xử lý thu hồi BPA từ đĩa quang thải, Tạp chí Hóa học ứng dụng, số 2/2016, 43-45 12 S Carroccio, C Puglisi, G Montaudo, Macromolecules, Mechanisms of Thermal Oxidation of Poly(bisphenol A carbonate), 35 (2002) 4297-4305 HV: Bùi Thế Tâm GVHD: PGS TS: Nguyễn Đức Quảng 58 13 D Kim, B.-k Kim, Y Cho, M Han, B.-S Kim, Ind Eng Chem Res., Direct extraction of carbonyl from waste polycarbonate with amines under environmentally friendly conditions, 48 (2009) 6591-6599 14 12 R Pinero, J Garcia, M J Cocero, Green Chem.,Chemical recycling of polycarbonate in a semi-continuous lab-plant A green route with methanol and methanol–water mixtures, (2005) 380-387 15 F Liu, Z Li, S Yu, X Cui, X Ge, J Hazard Mater., Environmentally benign methanolysis of polycarbonate to recover bisphenol A and dimethyl carbonate in ionic liquids, 174 (2010) 872-875 16 Ủy ban nhân dân thành phố Bắc Ninh, Phòng Tài nguyên Môi trƣờng thành phố Bắc Ninh (2011), Đề án Xã hội hóa cơng tác vệ sinh mơi trường địa bàn thành phố Bắc Ninh 17 G Grause, K Sugawara, T Mizoguchi, T Yoshioka, Polym Degrad Stabil., Recent Advances in the Chemical Recycling of Polymers (PP, PS, LDPE, HDPE, PVC, PC, Nylon, PMMA) 94 (2009) 1119-1124 18 Y Sato, Y Kondo, K Tsujita, N Kawai, Polym Degrad Stabil., Feedstock recycling of waste polymeric material, 89 (2005) 317-326 19 J P Tierney, P Lidstrom, Microwave AssistedOrganic Synthesis, Blackwell Publishing Ltd, Oxford, UK, 2005 20 A Undri, L Rosi, M Frediani, P Frediani, J Anal Appl Pyrol., Microwave assisted pyrolysis of crop residues from Vitis vinifera, 108 (2014) 86-97 21 M.M.A Nikje, Polimery, Method for obtaining bisphenol-a from polycarbonate waste using microwave radiation, 56 (2011) 381-384 22 N Deirram, A R Rahmat, APCBEE Procedia, Environmentally benign chemical recycling of polycarbonate wastes, (2012), 172-176 23 G P Tsintzou, E V Antonakou, D S Achilias, J Hazard Mater., Enviromenttally friendly chemical recycling of poly (Bis phenol Acarbonate) through phase transfer-catalysed alkaline hydrolysic under microwave irradiation,241–242 (2012) 137-145 HV: Bùi Thế Tâm GVHD: PGS TS: Nguyễn Đức Quảng 59 24 Zhi Yan PAN, Zhen BAO, Ying Xu CHEN (2006), “Depolymerization of Poly (bisphenol A carbonate) in Subcritical and Supercritical Toluene”, Chinese Chemical Letters 17(4), pp 545-548 25 Ruifeng Liang and Rakesh K Gupta (2006), “Rheological and mechanical properties of recycled polycarbonate”, West Virginia University Morgantown 26 Okuwaki (2004), “A Feedstock Recycling of Plastic in Japan”, Polym Degrad Stab, (85), pp 981 27 Trần Thị Thanh Vân, Hồ Ngọc Minh, Tổng hợp bis Hydroxylethyl bis phenol A từ sản phẩm thủy phân polycacbonat phế thải etylenglycol Tạp chí Hóa học, T51, số 2AB, Tr 222-225 28 Trần Thi Thanh Vân, Hồ Ngoc Minh Tái chế polycacbonat(PC) Phần 2: Tổng hợp polyeste polyol từ bishydroxyl ethyl bis phenol A với axit adipic Tạp chí Hóa học, T51, số 2AB, Tr 226-229 29 https://vi.wikipedia.org/wiki/Polycacbonate HV: Bùi Thế Tâm GVHD: PGS TS: Nguyễn Đức Quảng 60 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Các phận cấu tạo điện thoại di động Màn hình Bo mạch Tấm đỡ kim loại Vỏ điện thoại Pin HV: Bùi Thế Tâm GVHD: PGS TS: Nguyễn Đức Quảng 61 Phụ lục 2: Phổ hấp thụ dung môi Ethanol, Glyxerol BPA tinh khiết HV: Bùi Thế Tâm GVHD: PGS TS: Nguyễn Đức Quảng 62 Phụ lục 3: Phổ hồng ngoại BPA tiêu chuẩn HV: Bùi Thế Tâm GVHD: PGS TS: Nguyễn Đức Quảng 63 Phụ lục 4: Phổ hồng ngoại chất rắn thu đƣợc kết tinh dung dịch sau phản ứng HV: Bùi Thế Tâm GVHD: PGS TS: Nguyễn Đức Quảng 64 Phụ lục 5: Phổ cộng hƣởng từ 1H Bisphenol A chuẩn HV: Bùi Thế Tâm GVHD: PGS TS: Nguyễn Đức Quảng 65 Phụ lục 6: Phổ cộng hƣởng từ 1H sản phẩm sau thực nghiệm HV: Bùi Thế Tâm GVHD: PGS TS: Nguyễn Đức Quảng 66 HV: Bùi Thế Tâm GVHD: PGS TS: Nguyễn Đức Quảng 67 Phụ lục 7: Phổ cộng hƣởng từ 13C Bisphenol A chuẩn HV: Bùi Thế Tâm GVHD: PGS TS: Nguyễn Đức Quảng 68 Phụ lục 8: Phổ công hƣởng từ 13C sản phẩm sau thực nghiệm HV: Bùi Thế Tâm GVHD: PGS TS: Nguyễn Đức Quảng 69 ... vật liệu sau trình thu hồi Nội dung nghiên cứu - Thu thập tổng quan điện thoại di động thải - Nghiên cứu xây dựng quy trình thực nghiệm thu hồi Bis- phenol A từ vỏ điện thoại di động thải có nguồn... tự thực lấy từ Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Viện kỹ thu? ??t H? ?a Học thu? ??c trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, tên đề tài: „? ?Nghiên cứu khả thu hồi Bis- Phenol A từ điện thọai di động thải? ??, mã số... hay xylen nên thƣờng gây ô nhiễm môi trƣờng Từ đó, luận văn „? ?Nghiên cứu khả thu hồi Bis- phenol A từ điện thoại di động thải? ??‟ đƣợc l? ?a chọn với nội dung luận văn tiến hành tái chế Polycarbonate