1.3.1 Phương pháp tái chế thu hồi sản phẩm
Nhựa phế thải được phân thành từng loại riêng biệt PE, PP, PVC, PS,… mỗi loại sẽ được tái chế riêng. Chất thải nhựa sau khi phân loại thủ công sẽ qua hệ thống phân loại bằng từ và khí để loại bỏ kim loại, tạp chất,… Đối với chất thải nilong, có thể thêm giai đoạn ủ tự nhiên để làm giảm hàm lượng dầu bám vào nilong.
Hình 1.4: Ảnh minh họa cho vòng tuần hoàn của nhựa khi sử dụng phương pháp tái chế
1.3 Một số hướng xử lý nhựa phế thải 1.3.1 Phương pháp tái chế thu hồi sản phẩm
Nhựa phế thải được phân thành từng loại riêng biệt PE, PP, PVC, PS,… mỗi loại sẽ được tái chế riêng. Chất thải nhựa sau khi phân loại thủ công sẽ qua hệ thống phân loại bằng từ và khí để loại bỏ kim loại, tạp chất,… Đối với chất thải nilong, có thể thêm giai đoạn ủ tự nhiên để làm giảm hàm lượng dầu bám vào nilong.
Hình 1.4: Ảnh minh họa cho vòng tuần hoàn của nhựa khi sử dụng phương pháp tái chế
1.3 Một số hướng xử lý nhựa phế thải 1.3.1 Phương pháp tái chế thu hồi sản phẩm
Nhựa phế thải được phân thành từng loại riêng biệt PE, PP, PVC, PS,… mỗi loại sẽ được tái chế riêng. Chất thải nhựa sau khi phân loại thủ công sẽ qua hệ thống phân loại bằng từ và khí để loại bỏ kim loại, tạp chất,… Đối với chất thải nilong, có thể thêm giai đoạn ủ tự nhiên để làm giảm hàm lượng dầu bám vào nilong.
Hình 1.4: Ảnh minh họa cho vòng tuần hoàn của nhựa khi sử dụng phương pháp tái chế
CHẤT THẢI RẮN SINH HOẠT PHÂN LOẠI THỦ CÔNG PHÂN LOẠI BẰNG TỪ VÀ KHÍ
(Loại bỏ kim loại và tạp chất)
Ủ TỰ NHIÊN
(Đối với nylon để phân hủy các chất hữu cơ vàdầu)
CẮT, NGHIỀN
PHÂN LOẠI LẦN 2 BẰNG TỪ VÀ KHÍ
(Để loại bỏ KL và tạp chất)
CẮT, NGHIỀN LẦN 2
RỬA VÀ PHƠI KHÔ
NẤU CHẢY VÀ ĐÙN HỆ THỐNG XỬ LÝ KHÍ THẢI HỆ THỐNG XỬ
LÝ NƯỚC THẢI
HỆ THỐNG CUNG CẤP NƯỚC SẠCH Tuần hoàn nước
Sau công đoạn phân loại, chất thải nhựa sẽ được cắt nghiền bằng máy. Để nâng cao chất liệu tái chế, phế thải nhựa được cắt nghiền sẽ qua hệ thống phân loại bằng từ và khí lần thứ hai nhằm loại bỏ triệt để các tạp chất khác. Phế liệu sau khi được cắt nghiền lần hai được rửa sạch chất bẩn, sau đó đem phơi và được qua công đoạn tạo hạt. Tại đây, phế liệu nhựa được xay nhuyễn và pha màu rồi tạo thành sản phẩm khác nhau như dép, rổ, thau,... theo các dây chuyền khác nhau.
Tại công đoạn ủ tự nhiên, sẽ phát sinh mùi hôi do quá trình phân hủy hữu cơ. Do vậy, công đọan này cần chú ý xử lý mùi hôi để tránh gây ô nhiễm môi trường.
Đối với công đoạn nấu chảy và đùn, đây là công đoạn gia nhiệt làm nóng chảy nhựa phế thải nên sẽ phát sinh một lượng khói và mùi. Trong công đoạn này, cũng cần chú ý xử lý khói thải và mùi. Nước trong quá trình làm mát có thể làm nguội lại và tuần hoàn sử dụng.
Do nhựa phế thải dính nhiều tạp chất, trong quá trình rửa sạch sử dụng rất nhiều nước để rửa phế liệu, thành phần nước thải chứa nhiều hợp chất vô cơ, hữu cơ, vi sinh vật gây bệnh,… bám dính trên nhựa. Nước thải này cần được xử lý và tuần hoàn sử dụng trở lại.
Tuy nhiên, một trong những vấn đề chính của việc tái chế chất dẻo là nó có xu hướng không được kinh tế. Do đặc tính nhẹ, có thể bao gồm nhiều loại nhựa và thường phải được phân loại trước khi tái chế. Thường thì các loại thiết bị chứa nguồn chất thải này có kích thước lớn nên góp phần làm cho chi phí tái chế tăng cao. Không những thế, chi phí thu gom và xử lý thường vượt quá chi phí phế liệu lên đến 2 lần.
1.3.2 Phương pháp chuyển hóa bản chất sản phẩm
Phương pháp này gồm 2 giai đoạn chính: + Giai đoạn 1: Sử dụng phương pháp vật lý. + Giai đoạn 2: Sử dụng phương pháp nhiệt.
- Sử dụng lực hoặc áp suất.
- Sử dụng lực cắt, nghiền hoặc xay.
Sản phẩm:
- Các thành phần riêng biệt nhựa phế thải. - Giảm thể tích ban đầu.
- Biến đổi hình dáng ban đầu và giảm kích thước nhựa phế thải.
b. Phương pháp nhiệt
Xử lý chất thải rắn có nguồn gốc chất dẻo bằng phương pháp nhiệt là quá trình sử dụng nhiệt để chuyển hóa chất thải từ dạng rắn sang dạng khí, lỏng và tro…đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt.
ĐỐT
Định nghĩa: Đốt là phương pháp oxy hóa bằng nhiệt. Quá trình đốt được thực hiện với một lượng oxy (không khí) cần thiết vừa đủ để đốt cháy hoàn toàn chất thải rắn có nguồn gốc chất dẻo gọi là quá trình đốt hóa học. Nếu quá trình đốt được thực hiện với dư lượng không khí cần thiết được gọi là quá trình đốt dư khí.
Sản phẩm: thường là bụi, CO, CO2, HCl, Dioxin, hơi nước và tro. Các nguyên tắc cơ bản của quá trình đốt:
- Lượng oxi sử dụng theo lý thuyết được xác định theo phương trình cháy: - Chất thải rắn có nguồn gốc chất dẻo + O2" Sản phẩm cháy + Q (nhiệt)
- Để đạt được hiệu quả cao, quá trình cháy phải tuân theo nguyên tắc “3T”: nhiệt độ (temperature) – độ xáo trộn (turbulence) – thời gian lưu cháy (time).
Ưu – nhược điểm:
Ưu điểm
- Khả năng tiêu hủy tốt.
- Thể tích chất thải có thể giảm từ 75 - 96%.
- Hạn chế tối đa vấn đề ô nhiễm do nước rác, có hiệu quả cao đối với chất thải rắn có nguồn gốc chất dẻo có chứa vi trùng dễ lây nhiễm và các chất độc hại. Năng lượng phát sinh khi đốt có thể tận dụng cho các lò hơi, lò sưởi hoặc các ngành công nghiệp cần nhiệt và phát điện.
Nhược điểm
- Khí thải từ các lò đốt có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là các vấn đề phát thải chất ô nhiễm dioxin trong quá trình thiêu đốt.
- Vận hành dây chuyền phức tạp, đòi hỏi năng lực kỹ thuật và tay nghề cao. - Giá thành đầu tư lớn, chi phí tiêu hao năng lượng và chi phí xử lý cao
KHÍ HOÁ
Định nghĩa: Khí hóa là quá trình đốt không hoàn toàn chất thải rắn có nguồn gốc chất dẻo dưới điều kiện thiếu không khí.
Khí hóa là một kỹ thuật đốt có hiệu quả về mặt năng lượng, được áp dụng với mục đích giảm thể tích chất thải và thu hồi năng lượng.
năng lượng thấp chứa CO, CO2, H2, CH4 và N2, hắc ín chứa C và chất trơ chứa sẵn trong nhiên liệu và chất lỏng giống như dầu nhiệt phân.
Các nguyên tắc cơ bản của quá trình khí hóa
Quá trình khí hóa gồm 5 phản ứng cơ bản sau: nguồn [7]
C + O2 = CO2 Ho = -390kJ
C + H2O = CO + H2 Ho= +130kJ
C + CO2 = 2CO Ho= +172kJ
C + 2H2 = CH4 Ho= -71kJ
CO + H2O = CO2 + H2 Ho= -42kJ
Nhiệt để duy trì quá trình lấy từ các phản ứng toả nhiệt, trong khi các thành phần dễ cháy được tạo ra bởi phản ứng thu nhiệt.
Khi hệ thống được vận hành ở áp suất khí quyển với không khí được dùng làm chất oxy hoá, thì sản phẩm cuối cùng của hệ thống khí hoá là hỗn hợp khí cháy có nhiệt trị thấp bao gồm H2, CH4, CO2, CO và khí hidrocacbon, trong đó: 10% CO2, 20% CO, 15% H2 , 2% CH4 theo thể tích, còn lại là khí N2. Cacbon cố định và tro có trong chất thải rắn có nguồn gốc chất dẻo. Khí gas nhiên liệu sinh ra có nhiệt trị thấp (khoảng 5.600 kJ/m3) do ảnh hưởng nitơ có trong không khí đi vào. Hệ thống khí hoá dùng khí làm tác nhân oxy hoá vận hành đơn giản, lượng khí gas sinh ra ổn định. Khi oxy nguyên chất được dùng làm chất oxy hoá thay cho không khí thì khí gas sinh ra có nhiệt trị cao hơn (khoảng 11.200kJ/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.
Sản phẩm
Trung bình cứ 3.000 kg nguyên liệu nhựa sẽ thu được 1.000 kg dầu thô. Nhiên liệu sử dụng trong quá trình đốt được lấy từ dầu cặn phát sinh của quá trình đốt. Nhờ dùng dầu cặn này, việc đốt để thu hồi dầu từ phế liệu nhựa không tiêu hao thêm nhiên liệu. Nghiên cứu này ngoài việc thu dầu còn góp phần giải quyết vấn đề môi trường.
NHIỆT PHÂN
Định nghĩa
Nhiệt phân là quá trình xử lý chất thải rắn có nguồn gốc chất dẻo 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 sự cắt mạch càng sâu.
Sản phẩm
- Khí cháy (H2, CH4và các khí khác phụ thuộc loại chất dẻo).
Điều kiện tiến hành nhiệt phân cũng tương đối dễ thực hiện, có thể đưa ra thành qui mô xử lý công nghiệp.
Nhược điểm
Vốn đầu tư cao hơn so với các phương pháp xử lý khác bao gồm chi phí đầu tư xây dựng lò.
Chính vì những ưu điểm vượt trội trên nên hiện nay quá trình xử lý nhựa phế thải bằng phương pháp nhiệt phân đang thu hút nhiều sự quan tâm.
CHƯƠNG 2:PHƯƠNG PHÁP NHIỆT PHÂN XỬ LÝ NHỰA PHẾ THẢI
2.1 Lý thuyết về quá trình cracking
Cracking là quá trình bẻ gãy mạch cacbon – cacbon của hydrocacbon để biến đổi các phân đoạn nặng thành các sản phẩm nhẹ như xăng, kerosen, dienzen. Có thể thực hiện phản ứng dưới tác dụng của nhiệt độ (cracking nhiệt) và xúc tác (cracking xúc tác).
2.1.1 Cracking nhiệt
Hình 2.1: Sơ đồ công nghệ quá trình cracking nhiệt dùng cho nhựa phế thải
Như vậy quá trình cracking nhiệt luôn sinh ra olefin. Đặc biệt nếu nguyên liệu chứa nhiều hydrocacbon không no thì sản phẩm càng nhiều hợp chất không no.
2.1.2 Cracking xúc tác
Hình 2.2:Sơ đồ công nghệ quá trình cracking xúc tác dùng cho nhựa phế thải
- Phải dễ sản xuất và giá thành hạ.
Các loại xúc tác
Xúc tác triclorua nhôm AlCl3
Triclorua nhôm cho phép tiến hành phản ứng ở nhiệt độ thấp: 200 đến 300oC, dễ chế tạo. Nhược điểm là xúc tác bị mất mát do tạo phức với hydrocacbon của nguyên liệu, điều kiện tiếp xúc giữa xúc tác và nguyên liệu không tốt, cho hiệu suất và chất lượng xăng thấp.
Aluminosilicat vô định hình
Xúc tác aluminosilicat là loại khoáng sét tự nhiên hoặc tổng hợp có thành phần chủ yếu như sau:
SiO2: 75 ÷ 90% Al2O3: 10 ÷ 25%
Ngoài ra còn có H2O, tạp chất Fe2O3, CaO, MgO. Bề mặt riêng: 300 ÷ 500 m2/g
Cơ chế khi có mặt xúc tác thay đổi như sau:
Xúc tác acid:thường dùng các loại acid Lewis như Aluminosilicat vô định hình, Zeolite (ZSM -5, ZSM – 11, …)
Ion carboni C+sẽ chuyển dạng tạo các dạng carbocation khác bền vững hơn:
Sự đứt mạch tại vị trí Cb của Carbon mang điện tạo sản phẩm và ion carbony nhỏ hơn:
Xúc tác base: Đây là hướng đi mới đang được nghiên cứu
H+ sẽ bị hút bởi các O2-của xúc tác base còn các carbonion sẽ được làm bền bởi các ion kim loại trong base rắn. Sau đó các giai đoạn phát triển mạch và ngắt mạch tiếp theo sẽ tương tự như cracking nhiệt.
2.2 Lý thuyết về quá trình reforming xúc tác [6]2.2.1 Mục đích 2.2.1 Mục đích
Quá trình reforming bao gồm một loạt các phản ứng nhằm làm thơm hoá các sản phẩm dầu mỏ, tăng trị số octan của xăng.
Hình 2.3: Sơ đồ công nghệ quá trình cracking nhiệt và reforming xúc tác dùng cho nhựa phế thải
a. Phản ứng dehydro hoá
Dehydro hoá xycloalkan tạo hydrocacbon thơm:
Đây là phản ứng chính của quá trình reforming. Ở 500oC, năng lượng để tạo benzen là 51.6 kcal/mol, còn để tạo xyclohexan là 72.1 kcal/mol, vì vậy ở 500oC chỉ
Dehydro hoá parafin tạo olefin:
C9H20 C9H18+ H2
Dehydro hoá đóng vòng parafin hoặc olefin tạo hydrocacbon thơm:
b. Phản ứng izome hoá
Nhóm phản ứng biến đổi hydrocacbon mạch thẳng thành mạch nhánh bao gồm: - Izome hoá n – parafin thành izo – parafin:
n-C7H10 2 – metylhexan
- Hydro izome hoá:
Heptan - 1 + H2 2 – metylhexan
- Izome hoá alkyl xyclopentan thành xyclohexan:
C9H20 + H2 C5H12 + C4H10
C9H20 + H2 CH4 + C8H18
CnH2n+2 + H2 CmH2m+2 + CpH2p+2
Ơ các điều kiện nhất định có thể xảy ra cracking sâu, tạo khí và sản phẩm nhẹ.
2.2.3 Xúc tác reforming.
a. Các loại xúc tác được sử dụng.
Các chất xúc tác sử dụng trong quá trình reforming đều là các chất xúc tác lưỡng chức năng.
Xúc tác Pt/Al2O3(Al2O3 gọi là axit rắn): Xúc tác này được sử dụng cho đến năm 1970. Hàm lượng Pt trong xúc tác từ 0.3 đến 0.8% trọng lượng, nhiệt độ phản ứng là 500oC, áp suất từ 30 đến 35 at. Sau một thời gian làm việc, hoạt tính của xúc tác giảm do độ axit của Al2O3giảm.
Ngày nay, người ta đã cải tiến xúc tác reforming bằng cách biến tính xúc tác (khi cho thêm một kim loại (bimetal) hoặc thay đổi chất mang, ví dụ: Pt/SiO2, Pt/SiO2– Al2O3, Pt – Re/SiO2– Al2O3, Pt – Sn/SiO2, Pt – Ir/axit rắn).
Mục đích cho thêm kim loại vào là để làm tăng hoạt tính xúc tác hoặc giảm giá thành xúc tác.
b. Yêu cầu đối với xúc tác reforming.
Để có một xúc tác reforming tốt thì xúc tác đó cần có hoạt tính cao đối với các phản ứng tạo hydrocacbon thơm, có đủ hoạt tính đối với các phản ứng đồng phân hoá parafin và có hoạt tính thấp với phản ứng hydrocacking. Ngoài ra còn thể hiện qua các chỉ tiêu sau đây:
- Xúc tác phải có độ chọn lọc cao.
- Xúc tác phải có độ bền nhiệt và khả năng tái sinh tốt.
nhưng chủ yếu nhất là yếu tố nhiệt độ, chất lượng nguyên liệu, thời gian lưu nguyên liệu trong vùng phản ứng, áp suất, xúc tác, …
2.3.1 Yếu tố nhiệt độ và thời gian lưu
Yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp lên hiệu suất và chất lượng của sản phẩm. Anh hưởng của nhiệt độ lên quá trình cracking nhiệt là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp lên:
- Tốc độ phân hủy.
- Trạng thái pha của nguyên liệu và sản phẩm. Quá trình cracking gồm tổng hợp các phản ứng phân hủy và tổng hợp. Phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ và thành phần nguyên liệu mà xảy ra hai loại phản ứng phân hủy và phản ứng trùng hợp. Khi tăng nhiệt độ của quá trình thì tốc độ phản ứng của cả hai loại trên đều tăng. Nhưng mức độ tăng tốc độ phân hủy nhanh hơn tốc độ trùng hợp. Hiệu này sẽ càng tăng khi nhiệt độ càng tăng cao. Vì vậy, đối với mỗi dạng nguyên liệu khác nhau ta cần nghiên cứu chọn nhiệt độ của quá trình thích hợp để nhận được cân bằng vật chất của quá trình tối ưu.
- Thời gian lưu của nguyên liệu trong vùng phản ứng càng lâu thì sản phẩm tạo thành càng dễ ngưng tụ, dẫn đến tạo nhựa, cốc hoá, …
2.3.2 Yếu tố chất lượng nguyên liệu.
Ở điều kiện cracking nhiệt hoàn toàn như nhau nhưng nguyên liệu dùng có giới hạn nhiệt độ sôi khác nhau. Ta thấy rằng tốc độ phản ứng của quá trình tăng khi giới hạn nhiệt độ sôi của nguyên liệu tăng. Điều này có thể giải thích bởi độ bền nhiệt của các hydrocacbon nằm trong nguyên liệu. Nguyên liệu càng có giới hạn sôi tăng (càng nặng) thì độ bền nhiệt của nguyên liệu càng kém, quá trình phân hủy xảy ra càng dễ