Nghiên cứu phân hủy cao su phế thải bằng phương pháp hóa nhiệt xúc tác

  • Số trang: 88 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 167 |
  • Lượt tải: 1
tailieuonline

Đã đăng 27700 tài liệu

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- Phạm Hoàng Giang NGHIÊN CỨU PHÂN HỦ Y CAO SU PHẾ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA NHIỆT XÚC TÁC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- Phạm Hoàng Giang NGHIÊN CỨU PHÂN HỦ Y CAO SU PHẾ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA NHIỆT XÚC TÁC Chuyên ngành:Khoa học Môi trường Mã số: 608502 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Đỗ Quang Huy Hà Nội - 2011 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ……………………………………………………………………….1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN ............................................................................3 1.1. Tổng quan về cao su ……………………………………………………….3 1.1.1. Cao su thiên nhiên ……………………………………………………….4 1.1.2. Cao su tổng hợp ………………………………………………………….6 1.1.3. Các chất phối trộn với cao su ...............................................................9 1.2. Hiện trạng ô nhiễm cao su phế thải ........................................................11 1.2.1. Hiện trạng ô nhiễm cao su phế thải trên thế giới ………………………11 1.2.2. Hiện trạng ô nhiễm cao su phế thải tại Việt Nam ……………………..12 1.3. Các phƣơng pháp xử lý cao su phế thải ..................................................13 1.3.1. Chôn lấp cao su phế thải ………………………………………………..13 1.3.2. Thiêu đốt cao su phế thải ……………………………………………….13 1.3.3. Tái chế cao su phế thải ........................................................................15 1.4. Lý thuyết quá trình nhiệt phân cao su phế thải .......................................19 1.4.1. Đặc điểm nhiệt động học và động học các phản ứng chính xảy ra dƣới tác dụng của nhiệt ...............................................................................................20 1.4.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình nhiệt phân ...................................21 1.5. Giới thiệu về phản ứng cracking xúc tác ...................................................23 1.5.1. Tổng quan cơ chế xúc tác và vai trò của xúc tác ..................................23 1.5.2. Quá trình cracking xúc tác ……………………………………………...24 1.5.4. Chất xúc tác cracking …………………………………………………...25 CHƢƠNG 2 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................34 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................................34 2.2. Thực nghiệm .............................................................................................34 2.2.1. Hóa chất, vật liệu ………………………………………………………34 2.2.2. Dụng cụ ………………………………………………………………...35 2.2.3. Các thiết bị ……………………………………………………………...35 2.2.4. Sơ đồ thiết bị và thực nghiệm .................................................................35 2.2.5. Xác định tính chất của các sản phẩm thu đƣợc …………………………37 CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ………………………………….44 3.1. Khảo sát xúc tác sử dụng cho quá trình nhiệt phân ...................................44 3.1.1. Zeolit .......................................................................................................44 3.1.2. Phổ SEM của Bentonit giàu montmorillonit ..........................................46 3.2. Ảnh hƣởng của nhiệt độ và tỷ lệ xúc tác đến hiệu suất của quá trình phân hủy nhiệt cao su phế thải ..................................................................................47 3.2.1. Độ giảm khối lƣợng cao su phế thải ……………………………………47 3.2.2. Lƣợng sản phẩm lỏng thu đƣợc từ quá trình phân hủy nhiệt cao su ……49 3.2.3. Sản phẩm khí thu đƣợc sau quá trình phân hủy nhiệt đối với cao su …..50 3.2.4. Đánh giá ảnh hƣởng của nhiệt độ và xúc tác tới quá trình phân hủy nhiệt đối với cao su ………………………………………………………………….51 3.3. Khảo sát sản phẩm rắn, lỏng, khí sau phản ứng ………………………..53 3.3.1. Sản phẩm rắn …………………………………………………………...53 3.3.2. Sản phẩm lỏng ………………………………………………………….55 3.2.3. Thành phần khí ………………………………………………………...63 3.2.4. Đánh giá ảnh hƣởng của xúc tác tới quá trình phân hủy nhiệt xúc tác cao su phế thải ……………………………………………………………………..68 3.4. Mẫu xúc tác sau phản ứng ……………………………………………….69 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ .................................................................71 TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………….73 MỞ ĐẦU Trong vài thập kỷ gần đây, sự phát triển kinh tế kéo theo sự gia tăng nhanh chóng số lượng của phương tiện giao thông. Ngoài lợi ích thu được thu được từ các phương tiện giao thông mang lại, còn có vấn đề về chất thải và ô nhiễm môi trường do các phương tiện này tạo ra chẳng hạn như săm lốp phế thải. Năm 2007, ở Châu Âu đã thải bỏ g ần 3,4 triệu tấn săm, lốp [16], còn ở Mỹ là gần 4,6 triệu tấn [24]. Các nước Châu Á có mức thải bỏ ít hơn. Tuy nhiên riêng Nhật Bản cũng đã có t ới gần 1 triệu tấn phế thải cao su [13]. Việt Nam với số lượng xe gắn máy ước 20 triệu chiếc, cộng thêm với ô tô, xe tải, và nền sản xuất các sản phẩm cao su khác, mỗi năm ước tiń h nư ớc ta đã thải ra môi trường khoảng 400.000 tấn phế liệu cao su [12]. Đây thực sự là thách thức lớn đối với môi trường sống của con người. Hầu hết chất thải là cao su phế thải rất khó phân hủy, bền vững trước tác nhân hóa học, sinh học, vật lý và phải mất khoảng vài chục năm nó mới có khả năng phân hủy vào trong đất. Mặt khác do hình khối của phế thải, nên chúng chiếm thể tích lớn, vì vậy nếu chôn lấp chúng có thể làm phá vỡ cấu trúc của bãi chôn lấp [14]. Nếu sử dụng phương pháp đốt cao su phế thải ở nhiệt độ cao thì rất khó kiểm soát mức độ gây ô nhiễm môi trường không khí, nước và đất. Vì vậy, với sự gia tăng về lượng cao su phế thải như hiện nay, thì các loại rác khó phân hủy như cao su cần phải có hướng xử lý mới để tận dụng nguồn nguyên liệu này hoặc hạn chế đến mức thấp nhất tác động của loại chất thải này đối với môi trường. Cao su có cấ u tạo từ các mạch polyme cao phân tử , dưới tác du ̣ng của nhiê ̣t đô ̣ cao chúng có thể bi ̣phân hủy trở thành các ma ̣ch hydrocacbon nhỏ hơn. Nghiên cứu quá trình phân hủy cao su dưới tác du ̣ng của nhiê ̣t đô ̣ và xúc tác là hướng đi đươ ̣c các nhà khoa ho ̣c ưu tiên lựa cho ̣n thay thế cho các phương pháp xử lý truyề n thố ng như chôn lấp, đốt đang gă ̣p nhiề u vấ n đề liên 1 quan đến ô nhiễm môi trường. Đồng thời, nế u tâ ̣n du ̣ng đươ ̣c các sản phẩ m của quá trình phân hủy nhiê ̣t cao su , có thể thu được một nguồn nhiên liệu lớn, đáp ứng đươ ̣c mô ̣t phầ n nhu cầ u nhiên liệu hiê ̣n nay. Trong khi đó, ở Việt Nam số lượng các công trình nghiên cứu tận dụng nguồn nguyên liệu là săm lốp phế thải vào các mục đích khác nhau còn hạn chế. Do vậy, để đóng góp vào hướng nghiên cứu này chúng tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của luận văn là: “Nghiên cứu xử lý cao su phế thải bằng phƣơng pháp hóa nhiệt xúc tác “ Các nội dung chính của luận văn: Thử nghiệm nghiên cứu quá trình cracking cao su phế thải trên xúc tác zeolit, trong đó tập trung vào một số vấn đề sau: - Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình cracking cao su phế thải. - Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ phần trăm xúc tác so với lượng cao su đến hiệu suất quá trình cracking cao su phế thải. - Xác định đặc điểm hỗn hợp dầu thu được sau phản ứng. - Đánh giá tính chọn lọc của xúc tác đên phản ứng phân hủy nhiệt đối với cao su. 2 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về cao su[10] Cao su là hợp chất cao phân tử mà mạch phân tử của nó có chiều dài lớn hơn rất nhiều so với chiều rộng và được cấu tạo từ một loại hoặc nhiều loại mắt xích có cấu tạo hoá học khác nhau được lặp đi lặp lại nhiều lần. Cao su là loại vật liệu có tính chất vô cùng quý giá. Khác với các vật thể rắn, cao su có độ bền cơ học thấp hơn, nhưng đại lượng biến dạng đàn hồi lớn hơn nhiều lần. Khác với các chất lỏng được đặc trưng bởi độ bền cơ học rất nhỏ và đại lượng biến dạng chảy nhớt không thuận nghịch lớn, cao su trong nhiều lĩnh vực được sử dụng như một vật liệu chịu lực có đại lượng biến dạng đàn hồi nhỏ. Hỗn hợp cao su là một hệ thống dị thể nhiều cấu tử. Cũng như các hệ thống hoá học khác, các tính chất cơ, lý, hoá đặc trưng cho hợp phần cao su phụ thuộc vào bản chất hoá học các cấu tạo, kích thước hay mức độ phân tán các cấu tử trong khối cao su. Độ bền nhiệt của cao su phụ thuộc chủ yếu vào năng lượng liên kết các nguyên tố hình thành trong mạch chính, bảng 1.1. Năng lượng liên kết càng cao, độ bền nhiệt cao su càng lớn, cao su càng có khả năng làm việc ở nhiệt độ cao. Bảng 1.1: Năng lượng liên kết của liên kết chính trong cao su[10] Liên kết hóa Năng lượng liên Liên học kết (kJ/mol) kết học hóa Năng lượng liên kết (kJ/mol) C-C 349 Si-Si 233 C-O 353 S-S 243-260 Si-O 454 3 Cấu tạo thành phần của cao su phụ thuộc vào bản chất các liên kết tạo nên mạch chính. Các liên kết không phân cực hình thành các các mạch phân tử có cấu trúc thẳng. Các liên kết phân cực hình thành các mạch phân tử có cấu trúc lò xo. Lực tác dụng tương hỗ giữa các phân tử, các nhóm thế của mạch đại phân tử mà đại lượng để đánh giá nó là mật độ năng lượng liên kết dính nội gây ảnh hưởng rất lớn đến độ trương và hoà tan cao su vào các loại dung môi hữu cơ. Mặt khác, sự phụ thuộc vào lực tác dụng tương hỗ giữa các phân tử đàn tính của vật liệu thay đổi khi nhiệt độ thay đổi, đàn tính của cao su giảm nhanh khi nhiệt độ giảm. Tính chất của cao su cũng được tổng hợp từ một loại monome như nhau có thể khác nhau phụ thuộc vào thứ tự, vị trí sắp xếp chúng trong không gian. Hiện nay có rất nhiều loại cao su và chúng được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Nhưng nhìn chung cao su được phân loại theo nguồn gốc sản xuất và lĩnh vực sử dụng. 1.1.1. Cao su thiên nhiên Cao su tự nhiên hay cao su thiên nhiên là loại vật liệu được sản xuất từ mủ cây cao su (Hevea brasiliensis) của họ Đại kích (Euphorbiaceae). Những người dân Nam Mỹ là những người đầu tiên phát hiện và sử dụng cao su tự nhiên ở thế kỷ 16. Henry Wickham hái hàng ngàn hạt ở Brasil vào năm 1876 và mang những hạt đó đến Kew Gardens (Anh) cho nảy mầm. Các cây con được gửi đến Colombo, Indonesia, và Singapore. Ngoài cây cao su, các loại cây khác có thể cho mủ là đa búp đỏ (Ficus elastica), các cây đại kích, và bồ công anh thông thường. Nói chung, cây cao su trên thế giới thuộc vào 5 họ thực vật sau: Euphorbiaceae, Moraceae, Apocynaceae, Asclepiadaceae và Composeae. Tuy các loài thực vật này chưa bao giờ là nguồn cao su quan trọng, Đức đã sử dụng những cây đó trong Thế chiến II khi nguồn cung cấp cao su bị cắt. 4 Mủ cao su thiên nhiên là dạng nhũ tương trong nước của các hạt cao su với hàm lượng phần khô từ 28%-40%. Kích thước hạt cao su rất nhỏ, cỡ khoảng 0,05-3μm và có hình quả trứng gà. Trong 1 gam mủ cao su với hàm lượng phần khô 40% có 5000 hạt với đường kính trung bình 0,26μm, tất cả các hạt này đều ở trạng thái chuyển động Browner. Cấu tạo hóa học Về mặt hóa học, cao su thiên nhiên là polyisopren - polyme của isopren. Mạch đại phân tử của cao su thiên nhiên được hình thành từ các mắt xích isopren đồng phân cis liên kết với nhau ở vị trí 1,4. Ngoài đồng phân cis 1,4 thì trong cao su thiên nhiên còn có khoảng 2% mắt xích liên kết với nhau ở vị trí 3,4. Ngoài ra, cao su có nguồn gốc từ nhựa cây Gutapertra được hình thành từ polyme của isopren đồng phân trans 1,4. Cao su tự nhiên ở nhiệt độ thấp có cấu trúc tinh thể, nóng chảy ở 40oC. Quá trình nóng chảy các cấu trúc tinh thể của cao su tự nhiên xảy ra với hiện tượng hấp thụ nhiệt. Tính chất vật lý của cao su tự nhiên dựa trên bảng 1.2. Năm 1839, Charles Goodyear (Hoa Kỳ) phát minh ra quá trình lưu hóa cao su. Chính từ khám phá này mà nền công nghiệp cao su trên thế giới phát triển vượt bậc. Sau phát minh lưu hóa cao su, kỹ nghệ chế biến cao su phát triển mạnh mẽ, do đó nhu cầu nguyên liệu cao su càng lúc càng cao. 5 Bảng 1.2: Tính chất vật lý của cao su tự nhiên[10] Đặc tính Giá trị số Đặc tính Giá trị số Khối lượng riêng 913 (kg/m3) Nhiệt dung riêng 688 (kJ/kgđộ) Nhiệt độ hoá thuỷ tinh -70OC Hệ số dãn nở thể 656.10-4 tích (dm3/OC) Nhiệt dẫn riêng 0,14.10-4 Nửa chu kỳ kết tinh ở 2-4 giờ 25OC Điện trở riêng 3.1012-5.1012 ( m) (W/m2K) 1.1.2. Cao su tổng hợp Cao su thiên nhiên là những vật liệu polime vô cùng quan trọng trong kỹ thuật và đời sống. Tuy nhiên cao su thiên nhiên không đáp ứng đủ nhu cầu ngày càng cao của đời sống. Hơn nữa cao su thiên nhiên còn có những nhược điểm như khả năng chống dầu chịu nhiệt kém. Vì vậy các nhà khoa học đã tìm con đường tổng hợp cao su từ các chất hữu cơ đơn giản bằng phản ứng trùng hợp hay trùng ngưng. Năm 1879, Bouchardt chế tạo được một loại cao su tổng hợp từ phản ứng trùng hợp isopren trong phòng thí nghiệm. Các nhà khoa học Anh và Đức sau đó, trong thời gian 1910-1912, phát triển các phương pháp khác cũng tạo ra chất dẻo từ isopren. Cao su tổng hợp là chất dẻo được con người chế tạo với chức năng là chất co giãn. Một chất co giãn là vật chất có đặc tính cơ học là chịu được sức ép thay đổi hình dạng hơn phần lớn các vật chất khác mà vẫn phục hồi hình dạng cũ. Cao su tổng hợp được dùng thay thế cao su tự nhiên trong rất nhiều ứng dụng, khi mà những đặc tính ưu việt của nó phát huy tác dụng. 6 Cao su tổng hợp được tạo ra từ phản ứng trùng ngưng các cấu trúc đơn bao gồm isopren (2-methyl-1, 3-butadien), 1,3-butadien, cloropren (2-cloro1,3-butadien) và isobutylen (methylpropen) với một lượng nhỏ phần trăm isopren cho liên kết chuỗi. Thêm vào đó, các cấu trúc đơn này có thể trộn với các tỷ lệ mong muốn để tạo phản ứng đồng trùng hợp mà kết quả là các cấu trúc cao su tổng hợp có các đặc tính vật lý, cơ học và hóa học khác nhau. Một số loại cao su tổng hợp: Cao su isopren Cao su isopren nhận được trong phản ứng trùng hợp 2-metylbutađien1,3 trong pha khí hoặc trong dung dịch cacbuahydro no với sự có mặt của xúc tác Li. Cao su isopren có mạch chính được cấu tạo từ 94-98% có mắt xích ở 1,4-cis isopenten: CH2 H C CH3 CH3 C C CH2 …. CH2 CH2 C H Mạch đại phân tử của cao su isopren có cấu tạo gần giống với cấu tạo mạch chính của cao su tự nhiên nên cao su có tính chất công nghệ và tính chất cơ lý tương đương với các tính chất của cao su thiên nhiên. Lĩnh vực sử dụng chủ yếu của cao su isopren là môi trường khí quyển không có dầu như: săm, lốp ôtô, môtô, xe đạp và các sản phẩm công nghiệp khác. Cao su Butadien Cao su butadien được trùng hợp từ 1,3 - butadien trong dung dịch. Cao su butadien có độ cứng tương đối, có khả năng chống mài mòn cơ học cao nên được dùng để sản xuất làm việc trong môi trường chịu ma sát và tải trọng ép lớn. 7 Cao su butadien là cao su dân dụng, có cấu trúc không gian điều hoà. Khối lượng phân tử trung bình 70.000 - 280.000 đơn vị cacbon . Cao su butadien thường được sử dụng để chế tạo mặt lốp ôtô, xe máy, băng truyền, băng tải, ống bơm nước,… Cao su Butadien Nitryl Là sản phẩn đồng trùng hợp của butadien-1,3 và acrylonitryl với sự có mặt của hệ xúc tác oxy hoá khử persunfit và trietanolamin. Công thức cấu tạo: Cao su butadien nitryl có cấu trúc không gian điều hoà vì thế nó không điều hoà trong quá trình biến dạng. tính chất cơ lý tính chất công nghệ của nó phụ thuộc vào hàm lượng nhóm liti trong đó khả năng chịu môi trường dầu, mỡ, dung môi hữu cơ, tăng cùng với hàm lượng nhóm acrylolytry. Vì thế nó được ứng dụng để sản xuất các vật liệu chống ăn mòn của môi trường dầu mỡ, môi trường dễ bị ôxy hoá. Cao su Butadien Styren Là sản phẩm đồng trùng hợp 1,3-divinyl với styren trong dung dịch cacbuahydro no với sự có mặt của liti hữu cơ. Khối lượng phân tử của cao su butadien styren dao động trong khoảng 150.000 đến 400.000 đơn vị cacbon. Cao su butadien styren là cao su phân cực tồn tại ở trạng thái vô định hình vì vậy nó được pha trộn với các loại cao su khác. Cao su butadien styren có độ cứng lớn, khả năng chống mài mòn tốt nên trong công nghiệp sản xuất săm lốp ôtô cao su butadien styren được sử dụng làm mặt lốp. Trong công nghệ hoá chất thường dùng cao su butadien 8 styren để bọc lót các thiết bị chịu tác dụng ăn mòn của các loại axít, bazơ và các loại muối. Cao su Cloropren Là cao su phân cực lớn, nguyên tử clo có khả năng phân cực lớn các tác nhân tác dụng tốt nên cloropren là cao su chịu dầu, chịu tác dụng hoá học tốt. độ bền trong môi trường dầu mỡ của cao su clopren không thua kém cao su butadiennitryl. Tuy nhiên trong các dung môi hữu cơ có nhóm xêton, rượu,... cao su cloropren chịu tốt hơn nên trong công nghiệp cao su cloropren dùng để bọc lót thiết bị ăn mòn cao su cloropren có độ bền khí hậu lớn, khả năng phân tán điện tích tốt nên nó được dùng để bọc cáp điện trong công nghiệp điện, điện tử. Do liên kết phân cực C - Cl lớn nên cao su cloropren có độ bền kết dính ngoại cao nên nó có thể dùng để sản xuất các loại keo dán khô nhanh ở nhiệt độ thấp. 1.1.3. Các chất phối trộn với cao su Mủ cao su tự nhiên, cao su tổng hợp và chế tạo từ khi chưa được lưu hoá ít được sử dụng vì chúng không đáp ứng được yêu cầu kĩ thuật và yêu cầu sản xuất vì vậy để tạo cao su có tính chất cần thiết thì cao su sấy được hỗn luyện với các hợp chất khác. Các hợp chất này có thể có nguồn gốc vô cơ hoặc hữu cơ, có thể ở dạng hơi hay dạng lỏng và hàm lượng có thể thay đổi từ rất nhỏ đến rất lớn. Tất cả các chất được phối hợp với cao su được gọi là chất phối hợp. Phụ thuộc vào tính chất này sử dụng các chất phối hợp trong cao su được phân thành các loại sau : - Chất lưu hoá - Xúc tiến lưu hoá - Trợ xúc tiến lưu hoá - Chất phòng lão - Chất độn 9 - Chất hoá dẻo - Chất tạo xốp - Một số nguyên liệu khác như : phẩm màu … Ngoài ra người ta còn sử dụng một vài chất khác làm tăng cường tính chất công nghệ của hợp phần và tạo điều kiện cho các chất phối hợp được phân tán tốt các chất này gọi là chất phân tán. Trong quá trình phối trộn cao su, quá trình quan trọng nhất là quá trình lưu hóa. Lƣu hóa là quá trình phản ứng hóa học mà qua đó cao su chuyển từ trạng thái mạch thẳng sang trạng thái không gian 3 chiều, hình 1.1. Ngay từ buổi đầu tiên, người ta dùng lưu huỳnh để khâu mạch cao su nên gọi là lưu hóa. Ngoài lưu huỳnh còn có thể dùng một số chất khác để lưu hóa cao su như selen (Se), peroxit, nhựa lưu hóa,...Sự lưu hóa đã làm cho cao su bền hơn, dai hơn và đưa cao su trở thành sản phẩm được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Hình 1.1: Phản ứng lưu hóa cao su Bảng 1.3 là tỷ lệ % thành phần theo khối lượng của săm lốp cao su thương mại [19]. 10 Bảng 1.3: Thành phần các chất trong săm lốp cao su Thành phần Tỷ lệ % theo khối lượng Cao su isopren 60-65% Bột đen 29-31% Kẽm ôxít 1,9 – 3,3 % Lưu huỳnh 1,1 – 2,1 % Khác 2,7 % 1.2. Hiện trạng ô nhiễm cao su phế thải 1.2.1. Hiện trạng ô nhiễm cao su phế thải trên thế giới Với các tính chất hóa lý vốn được coi là ưu việt của mình, lốp xe phế thải lại là một vấn đề nghiêm với môi trường khi hàng triệu lốp xe không tái sử dụng được do nhiều nguyên nhân khác nhau đang góp phần lấp đầy măt đất và phá hủy môi trường, hình 1.2. Hình 1.2: Núi lốp ô tô phế thải ở bang Ohio mỹ 11 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 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 hàng 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 g ần 3,4 triệu tấn săm, lốp [16]. Các nước Châu Á có mức thải bỏ ít hơn. Tuy nhiên riêng Nhật Bản cũng đã có tới gần một triệu tấn phế thải cao su [13]. 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 . 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, hình 1.3. Chỉ riêng ở California 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 lấp dần các bãi đất trống. Hiện nay California Integrated Waste Management Board (CIWMB - Ban quản lý chất thải tổng hợp California) đang cố gắng làm 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 [9]. 1.2.2. Hiện trạng ô nhiễm cao su phế thải tại Việt Nam Hiện nay vẫn chưa có bất cứ một thống kê đầy đủ nào về tổng lượng cao su phế thải hàng năm ở Việt Nam, cũng như tác động của chúng đến môi 12 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 nguyên liệu cao su thiên nhiên rộng lớn, Việt Nam hiện đang được đánh giá là thị trường đầy 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 228 tấn lốp ô tô cũ, chưa tính đến lốp xe máy hay các loại cao su phế thải khác [7]. 1.3. Các phƣơng pháp xử lý cao su phế thải 1.3.1. 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 một 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 vỡ 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 nó, 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 chất độc hại, đặc biệt là khí H2S sinh ra từ lưu huỳnh dùng trong lưu hóa cao su. 1.3.2. 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 400oC và cao su phế thải thường được phân hủy ở nhiệt độ 538oC. Quá trình cháy của cao su khá dễ dàng, nó có nhiệt trị tương đương với dầu FO, theo tính toán, một lốp xe ô tô thông thường tương đương với 7,5 lít dầu. Phương pháp thiêu đốt phổ biến hiện nay 13 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 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 ở Coloumbia (nước bị ô nhiễm chì và asen). Các quan chức ước tính chi phí làm sạch 1,3 triệu USD. Đốt lốp xe phế liệu là một 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 thiêu 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 cao mật độ khói càng dày đặc. Các nghiên cứu về quá trình đốt lốp xe đã xác định một hàm lượng lớn benzo (a) pyrene, chất gây ung thư và lượng khí thải cao của 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 nhằm thu hồi nhiệt sản phẩm được tạo ra chủ yếu là: Oxit cacbon, lưu huỳnh nitơ nước, khí trơ và năng lượng. Những sản phẩm này có thể được sử dụng vào các quá trình khác nhằm giảm chị 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 14 loạt các sản phẩm phân hủy được tạo ra trong quá trình đốt lốp xe phế liệu bao gồm tro (carbon, kẽm oxit, titanium dioxide, silicon dioxides…), các hợp chất của lưu huỳnh (carbon disulfit, sulfur dioxit, hydrogen sulfit), PAH thường được phát hiện trong dòng chảy dầu (chẳng hạn như benzo (a) pyren, chrysen, vv), và các loại dầu paraffinic naphthenic, oxit cacbon và nitơ, 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 một nhiều yếu tố chẳng hạn như loại lốp xe, tỷ lệ, kích thước đống, nhiệt độ môi trường xung quanh và độ ẩm. Nói chung , chi phí phục hồi sau một giai đoạn lốp xe phế liệu khá cao. Hình 1.3: Bãi đốt cao su phế thải ở Columbia, Hoa Kỳ 1.3.3. Tái chế cao su phế thải Đây được coi là một giải pháp hữu hiệu cho việc giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm cao su, tuy nhiên, hiện vẫn chưa có một công nghệ tái chế cao su phế thải hoàn thiện. Tại các nước thuộc liên minh Châu Âu (EU), hiện chỉ có 15 9% săm lốp xe cao su phế thải được tái chế lại thành săm lốp xe cao su mới nhưng có phẩm chất kém hơn, 25% được sử dụng làm nguyên liệu cho xây dựng hoặc các mục đích khác tương tự. 1.3.3.1. Phục hồi chức năng của cao su: Đây là các phương pháp tái phục hồi các chức năng ban đầu của cao su, các nghiên cứu trên thế giới tập trung vào việc khử lưu hóa cao su tái chế thành cao su mới dùng như cao su chưa lưu hóa ban đầu. Các lốp xe ôtô mới có thể được sản xuất với hỗn hợp của cao su mới và 5 - 10% cao su tái chế. Với lốp xe của các phương tiện như máy xén cỏ và xe đạp,… là những phương tiện ít chịu tải trọng thì có thể được sản xuất hoàn toàn bằng cao su tái chế. Một số nghiên cứu gần đây cho thấy cao su tái chế giống hệt như cao su tự nhiên về trọng lượng phân tử và cấu trúc, vì thế có thể dùng để sản xuất ra sản phẩm mới. Ở một số công nghệ mới tỷ lệ tái thu hồi đạt 80%, nếu triển khai ở quy mô lớn mà thành công thì giải pháp tái chế lốp thải sẽ trở nên hiện thực. 1.3.3.2. Ứng dụng các sản phẩm khác có nguồn gốc từ cao su phế thải Toàn bộ lốp xe có thể được tái sử dụng trong nhiều cách khác nhau. Một số nhà máy thép sử dụng lốp xe như là một nguồn carbon thay thế than đá hay than cốc trong sản xuất thép. Thay vì khai thác than từ mặt đất và sau đó lốp xe chôn lấp ở bãi rác, các lốp xe được sử dụng trực tiếp. Một số rạn san hô nhân tạo được xây dựng bằng cách sử dụng lốp xe làm nơi phát triển rặng san hô, tuy còn nhiều tranh cãi trong vấn đề về việc các ô nhiễm khác có thể phát sinh, nhưng một số dự án ví dụ một dự án The Reef Osborne đã được triển khai và thu được các kết quả khả quan. Các lốp xe cũ cũng có thể được tái sử dụng lại thành các sản phẩm giầy dép thời trang, ví dụ như các loại dép săng đan. 16
- Xem thêm -