B. NỘI DUNG
2.2 Hiện tượn gô nhiễm caosu phế thải
Với các tính chất hóa lý vốn được coi là ưu việt của mình, lốp xe phế thải là một vấn đề nghiên cứu với môi trường khi hàng triệu lốp xe không tái sử dụng được do nhiều nguyên nhân khác nhau đang góp phần lấp đầy mặt đất và phá hủy môi trường. Trên thế giới, mỗi năm có khoảng một tỷ lốp xe được thải ra. Hầu hết chất thải từ cao su rất khó phân hủy, phải mất khoảng vài chục năm nó mới có khả năng phân
Page | 25 hủy trong đất. Theo thống kê chưa đầy đủ, chỉ riêng ở Mỹ, mỗi năm có hơn 300 triệu chiếc lốp ô tô với khối lượng là gần 4,6 triệu tấn được thải ra và hơn 2 tỷ chiếc lốp hiện đang nằm trong các hố rác, các kho chứa trên khắp cả nước. Còn ở Anh hằng năm có tới 40 triệu lốp phế thải, 2/3 số lốp đó bị đẩy ra bãi rác hoặc bị thải bỏ trái luật, tạo ra nhiều nguy cơ rất nghiêm trọng về môi trường và sức khỏe cộng đồng. Một số số liệu khác cho thấy năm 2007, ở Châu Âu đã thải bỏ gần 3,4 triệu tấn săm, lốp. Các nước ở Châu Á có mức thải bỏ ít hơn. Tuy nhiên riêng ở Nhật Bản cũng đã có tới gần một triệu tấn phế thải cao su. Các cơ quan chức năng của Mỹ cảnh báo rằng, cao su phế thải đang nhanh chóng trở thành một trong những vấn đề môi trường hàng đầu thế giới. [9] Hằng năm, lượng săm lốp xe phế thải tăng lên đáng kể vì tiêu chuẩn cho sự đi lại của con người vẫn là các loại xe cơ giới. Cuộc sống càng hiện đại thì nhu cầu cho sự di chuyển ngày càng tăng thì lốp xe bị vứt bỏ ngày càng nhiều. Một trong những giải pháp xử lý cao su phế thải ở đây là đốt bỏ chúng.
Chỉ riêng ở Califomia 42 triệu lốp xe đã qua sử dụng được thải ra mỗi năm, và trong đó 75% số lốp này được tái sử dụng, số còn lại là 25% khoảng 10 triệu lốp xe đang được lấp dần các bãi đất trống. Hiện nay, Califomia Integrated Was Management Board (CIWMB – Ban quản lý chất thải tổng hợp Califomia) đang cố gắng làm giảm số lượng này bằng việc gom các lốp xe đã thải ra và sử dụng chúng trong việc làm nên các con đường mới, chuyển đổi các sản phẩm phế thải này vào đường bê tông nhựa cao su hóa. [10]
2.2.2 Hiện trạng ô nhiễm cao su phế thải tại Việt Nam
Hình 2. 2 “Núi săm lốp” trên bờ đê dẫn vào thôn Thu Thủy, xã Xuân Thu, huyện Sóc Sơn (Hà Nội)
Page | 26 Hiện nay vẫn chưa có bất cứ một thống kê đầy đủ nào về tổng lượng cao su phế thải hằng năm ở Việt Nam, cũng như tác động của chúng đến môi trường. Tuy nhiên có thể dự đoán con số này rất lớn, với trên 15 triệu xe gắn máy, 10 triệu xe đạp, gần 500 ngàn xe ô tô, cộng với lợi thế của một vùng nghiên liệu rộng lớn, Việt Nam hiện đang được đánh giá là thị trường đầu tiềm năng của ngành sản xuất săm lốp, đồng thời cũng sẽ là một nguồn thải cao su phế thải khổng lồ. Trung bình hàng năm, tính riêng cho tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng đã thải ra khoảng 288 tấn lốp ô tô cũ, chưa tính đến lốp xe máy hay các loại cao su phế thải khác.
2.3 Ý nghĩa thực tiễn của việc tận dụng đồ phế thải nói chung và cao su phế thải nói riêng nói riêng
Việc tận dụng đồ phế thải trong đó có CSPT có một ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng. Việc này góp phần làm giảm lượng rác thải, khắc phục sự suy thoái môi trường, giúp cho người dân không phải sống chung với rác, do đó cải thiện được điều kiện sinh hoạt, bảo vệ sức khỏe, nâng cao chất lượng cuộc sống. Hơn nữa, việc tái chế lại các đồ phế thải còn mang lại lợi ích kinh tế rất lớn. Việc tận dụng các nguyên liệu phế thải để tái chế góp phần làm giảm giá thành sản phẩm, giảm chi phí cho việc nhập các nguyên liệu mới. Nền công nghiệp tái chế các vật liệu phế thải còn mang lại công ăn việc làm cho nhiều người, tăng thu nhập cho nền kinh tế quốc dân. Do vậy việc nghiên cứu các biện pháp xử lý, tận dụng nguồn phế thải là vấn đề được cả thế giới quan tâm.
2.4 Các biện pháp xử lý và tận dụng cao su phế thải
Ngay từ khi ngành công nghiệp sản xuất cao su ra đời, người ta đã nghĩ đến việc tận dụng CSPT làm nguyên liệu.
Năm 1858 ra đời bằng những chế phẩm đầu tiên của Hall, trong đó tác giả đưa ra biện pháp sơ chế CSPT bằng hơi nước. Qua đó, cao su được dẻo hóa và có thể dử dụng lại. [11]
Năm 1882, Michell đã đưa ra biện pháp dùng axit và năm 1889 [11], Marsk đã đưa ra biện pháp dùng kiềm để hòa tan các loại sợi bông gia cường trong cao su. [12]
Đến khoảng năm 1960, người ta sử dụng CSPT chủ yếu làm vật liệu tái sinh và sơ chế thành dạng hạt hoặc dạng bột. lượng nghiên liệu tái sinh đó có thể dùng khoảng 5-30% lượng nghiên liệu cần thiết. Nguyên liệu tái sinh đưa vào làm giảm giá thành, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình gia công như thoát khí tốt hơn, thời gian lưu hóa nhanh hơn.
Tuy nhiên, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, giá nguyên liệu giảm mạnh nên việc tận dụng CSPT làm nguyên liệu không còn kinh tế nữa mà người ta nghĩ tới
Page | 27 các giải pháp khác như làm nhiên liệu, tận dụng làm vật liệu gia cố bờ biển, đắp lại lốp… Dưới đây là tình hình sử dụng CSPT ở một số nước công nghiệp phát triển. [10, 13]
Bảng 2. 2 Tình hình sử dụng CSPT ở một số nước công nghiệp phát triển Biện pháp
sử dụng Nước
Nhiên liệu (cho xi măng)
Nguyên liệu Đắp lại lốp Xuất khẩu Bỏ đi
Nhật 35% 22% 15% 17% 11%
Đức 37% 11% 22% - 30%
Mỹ 7% 2% 12% 4% 75%
Vấn đề sử dụng CSPT không chỉ giới hạn ở một vùng hay một nước mà ngày nay, các công ty trên thế giới đã đầu tư vào lĩnh vực này rộng khắp trên toàn cầu. Hãng Nilos (Đức) là một hãng lớn trên thế giới chuyên chế tạo các loại sản phẩm băng tải cao su đồng thời với việc xử lý băng tải cũ thành nguyên liệu bột cao su đã đặt cơ sở tại nhiều nước trên thế giới. Riêng ở Châu Á đã có chi nhánh tại Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia, Philippin… Diều đó cho thấy ngay cả các hãng sản xuất gia công cao su ngày nay cũng rất coi trọng vấn đề tái sử dụng các sản phẩm CSPT làm nguyên liệu. Trong những năm gần đây, đa phần các nguyên liệu nghiên cứu trong lĩnh vực tận dụng CSPT tập trung vào một số vấn đề sau. [15]
2.4.1 Chôn lấp cao su phế thải
Chôn lấp cao su phế thải là phương pháp cổ điển nhất để xử lý cao su phế thải. Tuy vậy, việc chôn lấp cao su là biện pháp không mong muốn do cao su chiếm khối lượng, thể tích lớn, số lượng cao su cần chôn lấp cũng rất nhiều khiến chúng nhanh chóng lấp đầy các khu chôn lấp rác thải. Ngoài ra, cao su phế thải có thể tạo thành các “bẫy” lưu giữ khí metan, tạo thành những “quả bóng khí” có xu hướng di chuyển lên phía bề mặt. Những “quả bóng khí” này có thể phá vở lớp phủ bề mặt, gây ô nhiễm môi trường nước và không khí xung quanh. Chưa kể đó, cao su với độ bền vốn được coi là tính chất vật lý ưu việt của ns, sẽ tồn tại rất lâu và khó bị phân hủy.
Ngoài ra, quá trình phân hủy yếm khí cao su trong điều kiện bãi chôn lấp cũng sinh ra nhiều khí độc hại, đặc biệt là khí H2S sinh ra từ lưu huỳnh dùng trong lưu hóa cao su. [7]
Page | 28
2.4.2 Thiêu đốt cao su phế thải
Đây là phương pháp phổ biến nhất trong việc xử lý cao su phế thải. Cao su có điểm bắt cháy ở nhiệt độ ít nhất là 4000C và cao su phế thải thường được phân hủ ở nhiệt độ 5280C. Quá trình cháy của cao su khá dễ dàng, nó có nhiệt trị tương đương với dầu FO2 theo tính toán, một số lốp xe ô tô thông thường tương đương với 7,5 lít dầu. Phương pháp thiêu đốt phổ biến hiện nay gồm hai phương pháp chủ yếu là thiêu đốt trực tiếp không kiểm soát và đốt có thu hồi nhiệt.
Hiện quá trình xử lý thiêu đốt vẫn là chủ yếu là thiêu đốt không kiểm soát, ngay cả tại những quốc gia phát triển như Hoa Kỳ, do số lượng lốp xe quá lớn. Các hậu quả về môi trường khi thiêu đốt lốp xe rất lớn. Năm 1983, việc đốt cao su lộ thiên tại bãi chôn lấp ở Winchester, Virginia, đã khiến cho vùng xung quanh bị ô nhiễm nặng nề bởi bụi, chì và asen. Quá trình đốt này còn làm ảnh hưởng nước sinh hoạt 1 quận owe Coloumbia (nước bị ô hiễm chì và asen). Các quan chức ước tính chi phí làm sạch 1,3 triệu USD. Đốt lốp xe phế thải là vấn đề gây nguy hiểm đối với sức khỏe. Sự hiểu biết các yếu tố độc hại của khí thải đốt lốp xe phế liệu là điều cần thiết đối với nhân viên vận hành. Đi kèm với việc đốt cao su phế thải, quá trình phát thải độc hại: khi nâng nhiệt độ đốt cao su sẽ tạo ra làn khói đen thoát ra ngoài, và càng lên nhiệt độ càng cao mật độ khói càng dày đặc. Các nghiên cứu về quá trình đốt lốp xe đã xác định hàm lượng lớn benzo (a) pyreme, chất gây ung thu và lượng khí thải cao su các hợp chất độc hại khác, đặc biệt là benzen (một chất gây ung thư được biết đến), với nồng độ thường vượt quá một phần triệu (ppm) bị phát thải ra ngoài.
Đối với quá trình đốt trong lò đốt hoặc trong nồi hơi công nghiệp nhahwmf thu hồi nhiệt sản phẩm được tạo ra chủ yếu là: oxit cacbon, lưu huỳnh nito nước, khí trơ và năng lượng. Những sản phẩm này có thể được sử dụng vào các quá trình khác nhằm giảm chi phí đốt. Tuy nhiên trong lốp xe thường chứa nhiều hợp chất không phù hợp tiêu chuẩn, một số chất chưa đốt hoàn toàn, có thể phát ra một làn khói dày đặc, một loạt các hydrocacbon pyrolytic và tro có thể gây hại cho môi trường và sức khỏe con người. Ngoài ra, do quá trình lưu hóa của cao su nên quá trình đốt cháy cao su phế thải sản sinh ra nhiều khí SO2 nên quá trình đốt khá tốn kém và chi phí cho nó khá cao. Một loạt các sản phẩm phân hủy ra trong quá trình đốt lốp xe phế liệu bao gồm tro (cacbon, kẽm oxit, hydrogen sulfit), PAH thường được phát hiện trong dòng chảy đầu (chẳng hạn như benzo (a) pyren, chysen, vv), và các loại dầu paraffinic naphthenic, oxit cacbon và nito, các hạt bụi và các hydrocacbon thơm khác nhau bao gồm cả xylen, toluen, benzen, vv. Các sản phẩm phân hủy được mở rộng và đa dạng tùy thuộc vào môi trường xung quanh và độ ẩm. Nói chung, chi phí phục hồi sau một giai đoạn lốp xe phế liệu khá. [7]
Page | 29
2.4.3 Nhiệt phân cao su phế thải
Cao su nghiền nhỏ có thể được nhiệt phân ở 400℃ dưới áp suât hidro thấp (100- 500 psi) kết quả thi được 50-60% dầu, 5-10% khí và 30-40% muội than.
Việc nhiệt phân lốp ở nhiệt độ 600-800℃ sẽ cho các sản phẩm dầu dễ bay hơi, khí và bã (chủ yếu là muội than và các chất vô cơ như dây thép và ZnO). Kết quả phụ thuộc vào bản chất quả trình nhiệt phân, nhưng nói chung là thu được 40-50% dầu, 30-40% chất rắn, 10-20% chất khí.
Do hàm lượng muội than và dây thép (10%) trong lốp cao su nên phương pháp tốt nhất là nhiệt phân lốp, sau đó xử lý dầu thu được bằng hidro. Khi đó sẽ dễ dàng tách riêng muội than và dây thép dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình.
Nghiên cứu mới đây cho thấy có thể tăng đáng kể chất lượng cho muội than còn lại sau nhiệt phân hoặc hóa lỏng lốp. Các nhà nghiên cứu có thể tạo ra muội than có diện tích bề mặt trên 400m2/g. Nhờ hoạt hóa than nhiệt phân lốp bằng hơi nước hoặc sử dụng lò quay để nhiệt hóa muội than trong dòng khí CO2. [6]
Để tiến hành nghiên cứu, trước hết tiến hành nghiên cứu quá trình phân hủy nhiệt của cao su phế thải băng phương pháp phân tích nhiệt vi sai (DTA) và nhiệt trọng lượng (TGA) trong môi trường khí nito trên máy phân tích nhiệt tương ứng (TA50) của hãng Shimadzu (Nhật Bản) trên cơ sở những kết quả thu được định hướng cho việc nhiệt phân cao su phế thải trong hệ thống thiết bị nhiệt phân tự chế tạo theo sơ đồ.
Hình 2. 3 Sơ đồ hệ thống thiết bị nhiệt phân cao su phế thải [8]
Page | 30
2.5.1 Sử dụng lại các sản phẩm phế thải
Đắp lại lốp cũ:
Hiện nay có khoảng 15% lốp xe ô tô (trước đây là 25%), 50% lốp xe tải được đắp lại, trong đó phần lớn được đắp lại là 2-3 lần. Như vây, tổng số một chiếc lốp chạy được 500.000 km. Riêng lốp máy bay có thể đắp lại tới lần thứ 20.
Việc đắp lốp ô tô, xe máy…có thể được mô tả theo quy trình dưới đây:
Hình 2. 4 Sơ đồ quy trình đắp lại lốp ô tô, xe máy
Trước khi đắp, tất cả các vỏ lốp cũ đều phải qua công đoạn kiểm tra. Việc này rất quan trọng trong quá trình đắp phần cao su mới lên trên đó. Do vậy, phải tạo một bề mặt sạch để đảm bảo sự kết dính cao nhất và tạo một đường viền ở vòng quanh vùng đắp. đắp cao su mới ở dạng dung dịch bằng súng phun tia, lớp keo dán đệm chưa lưu hóa và hình dáng cần thiết để đắp vỏ lốp. lưu hóa cao su đắp mới, quá trình lưu hóa được tiến hành trong các nồi hấp ở nhiệt độ 97-100℃ trong thời gian 4-5 giờ. Cuối cùng là kiểm tra sản phẩm.
Làm các vật liệu gia cố bờ biển chống xóa lỡ, ăn mòn, làm đệm chắn cho tàu thủy, làm vỉa chắn ở cản biển, làm barie an toàn, làm hàng rào hoặc dùng cả lốp làm thành giếng nước, vật chắn trước tín hiệu giao thông, làm vành đai để chặn dầu tràng…[5, 9]
2.5.2 Sử dụng làm nguyên liệu 2.5.2.1 Sơ chế cao su phế thải 2.5.2.1 Sơ chế cao su phế thải
Để đơn giản cho việc sử dụng CSPT, trong khâu thu hồi vật liệu, người ta phải cần phân loại theo sản phẩm và chủng loại cao su.
Đối với các tổ hợp cao su không lưu hóa, người ta có thể làm sạch, cần trộn thêm một số phụ gia rồi gia công lại thành sản phẩm. đối với cao su đã lưu hóa, trước khi gia công tiếp, người ta phải nghiền nhỏ. Về nguyên tắc có 2 phương pháp để nghiền CSPT là nghiền nóng và nghiền lạnh. Lốp phế thải Kiểm tra Xử lý bề mặt Sửa Ghép Vào khuôn Cao su Lưu hóa Tháo sản phẩm Kiểm tra Nhập kho
Page | 31 Hình 2. 5 Máy nghiền cao su phế thải ở Mỹ
• Nghiền nóng: CSPT ở dạng các sản phẩm và kích cỡ khác nhau được đưa vào máy cán, cắt, đập tạo hạt rồi nghiền nhỏ để tách các dị vật như sợi, dây tanh, đá… qua nhiều công đoạn, cuối cùng cao su tạo ra ở dạng hạt có kích thước từ 1-6 mm, tiếp tục cho vào máy nghiền bánh răng để nghiền thành hạt có kích thước 0.5-1 mm. năng lượng tiêu tốn cho quá trình là 50 kW.h cho 100 kg CSPT. Do đặc tính đàn hồi nên việc nghiền cao su tiêu tốn nhiều năng lượng.
Mặt khác, cao su dẫn nhiệt kém cho nên việc làm sạch không được đồng đều dẫn tới nhiệt cục bộ gây phân hủy nhiệt và oxi hóa cục bộ. để khắc phục hiện tượng này người ta dùng phương pháp nghiền ướt. Ttuy nhiên, sau khi nghiền, người ta phải sấy bột cao su. Bằng phương pháp này người ta có thể nghiền tới kích thước hạt từ 20- 100 µm.
• Nghiền lạnh: Ta phải làm lạnh cao su xuống từ -30℃ đến -80℃ tùy theo loại cao su. Nghiền ở nhiệt độ này có thể tiết kiệm được năng lượng so với phương pháp nghiền nóng. Mặt khác, do nhiệt độ thấp và nghiền trong môi trường nito lỏng nên hạn chế được quá trình oxi hóa và phân hủy nhiệt cao su. Với phương pháp này người ta có thể nghiền cao su với kích thước hạt từ 100µm đến 400µm. kích thước hạt càng nhỏ thì giá thành càng cao, ví dụ nghiền 100 kg EPDM có kích thước hạt 1mm cần