Tài liệu Phân tích và chiết tách limonene từ sản phẩm nhiệt phân các nguồn cao su phế thải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC PHÂN TÍCH VÀ CHIẾT TÁCH LIMONENE TỪ SẢN PHẨM NHIỆT PHÂN CÁC NGUỒN CAO SU PHẾ THẢI NGÀNH: HÓA HỌC PHÂN TÍCH MÃ SỐ: NGUYỄN PHÚC HẢI Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRỊNH Hà Nội 2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 2 LỜI CẢM ƠN Qua thời gian nghiên cứu, luận văn tốt nghiệp cao học với đề tài ‘‘ Phân tích và chiết tách Limonene từ sản phẩm nhiệt phân các nguồn cao su phế thải’’ được hoàn thành tại Bộ môn Công nghệ Hữu cơ – Hóa dầu, Bộ môn Hóa Phân tích, Khoa Công nghệ Hóa học, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội từ 3/2009 đến 10/2009. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Trịnh, người đã trực tiếp giao và hướng dẫn đề tài. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo trong Bộ môn Hóa Phân Tích và Bộ môn Công Nghệ Hữu Cơ – Hóa Dầu, Khoa Công nghệ Hóa học, Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Lọc Hóa Dầu, Trung tâm Giáo dục và Sắc ký – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Trung tâm hóa nghiệm xăng dầu Quân đội, Phòng Thí nghiệm Phân tích Nhiệt trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Lọc Hóa Dầu, Viện Hóa Học Công Nghiệp và các bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đã tận tâm giúp đỡ động viên tác giả trong quá trình thực hiện đề tài. Hà nội, ngày 5/11/2009 Nguyễn Phúc Hải Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 3 MỤC LỤC Danh mục các hình……………………………………………………….….…7 Danh mục các bản…………………………………………………………….10 Mở Đầu……………………………………………………………..………… 12 PHẦN I TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ RÁC THẢI RẮN VÀ LOẠI NGUYÊN LIỆU CAO SU I. Tình hình rác thải rắn trong và ngoài nước.........................................................13 I.1 Rác thải trên toàn thế giới.....................................................................14 I.2 Tình hình rác thải ở Việt Nam..............................................................16 II. Tình hình rác thải có nguồn gốc cao su...............................................................18 II.1 Tình hình rác thải cao su trên toàn thế giới.......................................18 II.2 Tình hình rác thải cao su ở Việt Nam.................................................19 II.3 Các vấn đề bệnh tật liên quan đến cao su phế thải.............................19 III. Giới thiệu chung về nguyên vật liệu cao su........................................................20 III.1 Cao su thiên nhiên..............................................................................22 III.2 Cao su izopren.....................................................................................24 III.3. Cao su Butadien.................................................................................24 III.4. Cao su Butadien Nitryl......................................................................24 III.5. Cao su Butadien Styren.....................................................................24 III.6. Cao su Cloropren...............................................................................25 III.7. Các loại cao su khác...........................................................................25 III.8. Các chất phối hợp cho cao su............................................................26 CHƯƠNG II. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH XÝ LÝ VÀ TÁI CHẾ RÁC THẢI CAO SU THU NHIÊN LIỆU VÀ NGUYÊN LIỆU I. Nhiệt phân cao su phế thải. ....................................................................................28 I.1. Hóa lỏng cao su.....................................................................................28 I.2. Sản xuất xăng dầu và than đen công nghiệp.......................................29 I.3. Dây chuyền nhiệt phân săm lốp cao su phế thải.................................29 II. Một số nghiên cứu nhiệt phân cao su phế thải thu cấu tử quí Limonene và Ete Limonene ở các trường Đại học trên thế giới...........................................................32 CHƯƠNG III. TỔNG QUAN VỀ LIMONENE VÀ ETE LIMONENE I. Các thông số hóa lý của tinh dầu Limonene..........................................................35 Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 4 II. Ứng dụng của Limoene.........................................................................................36 III. Limonene và các phương pháp tổng hợp...........................................................37 III.1. Thu Limonene từ phương pháp nhiệt phân cao su........................37 III.2. Thu Limonene từ phương pháp chưng cất vỏ quả thực vật...........39 IV. Ete Limonene……………………………………………………………...…….40 CHƯƠNG IV. QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN CAO SU PHẾ THẢI THU SẢN PHẨM CHỨA LIMONENE I. Đặc điểm nhiệt động học và động học của quá trình............................................41 I.1. Đặc điểm nhiệt động học.................................................................... 41 I.2. Đặc điểm động học..............................................................................44 II. Cơ chế của quá trình nhiệt phân cao su...............................................................46 III. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân thu sản phẩm chứa Limonene......................................................................................................................48 III.1. Ảnh hưởng của nguyên liệu..............................................................48 III.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian lưu của nguyên liệu.............49 IV. Sản phẩm của quá trình nhiệt phân....................................................................51 Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 5 PHẦN II THỰC NGHIỆM I. Dụng cụ và hóa chất thí nghiệm.............................................................................52 I.1. Hoá chất thí nghiệm.....................................................................................52 I.2. Dụng cụ thí nghiệm......................................................................................52 II. Nhiệt phân phế thải cao su ...................................................................................53 II.1 Nguyên liệu...................................................................................................53 II.2 Trình tự tiến hành thí nghiệm. ...................................................................53 II.2.1. Khảo sát các điều kiện nhiệt phân thu sản phẩm chứa Limoene......55 II.2.1.1. Xác định khoảng nhiệt độ nhiệt phân.........................55 II.2.1.2. Xác định kích thước nguyên liệu tối ưu......................55 II.2.1.3. Xác định nhiệt độ nhiệt phân tối ưu............................55 II.2.1.4. Xác định tốc độ gia nhiệt tối ưu...................................55 II.2.1.5. Xác định lượng xúc tác thích hợp................................56 II.2.1.6. Nhiệt phân với sự có mặt của hơi nước......................56 II.2.2. Phân tách cấu tử quí Limonene trong sản phẩm lỏng.......................56 II.2.2.1. Chưng cất trực tiếp sản phẩm lỏng thu Limonene......56 II.2.2.2. Làm giàu phân đoạn chứa Limonene..........................56 II.2.2.3. Nghiên cứu lượng xúc tác tối ưu thu...........................57 II.2.2.4. Nghiên cứu nhiệt độ phản ứng tối ưu.........................58 II.2.2.5. Nghiên cứu thu ete limonene với các loại rượu..........58 II.2.2.6. Nghiên cứu lượng than hoạt tính tối ưu......................58 III. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................58 III.1. Phương pháp chưng cất........................................................................58 III.2. Phương pháp phân tích nhiệt...............................................................59 III.3. Sắc ký khí ghép khối phổ (GC/MS-Gas Chromatography Mass Spectometry)......................................................................................................59 Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 6 PHẦN III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN I. Khảo sát các điều kiện tiến hành nhiệt phân........................................................63 I.1. Kết quả phân tích nhiệt của các mẫu cao su phế liệu.............................63 I.2. Nhiệt độ nhiệt phân tối ưu........................................................................64 I.3. Tốc độ gia nhiệt tối ưu..............................................................................66 I.4. Kích thước nguyên liệu tối ưu..................................................................67 I.5. Lượng xúc tác thích hợp..........................................................................68 I.6. Nhiệt phân có mặt hơi nước....................................................................69 II. Phân tách và tinh chế cấu tử quý Limonene.......................................................70 II.1. Tách Limonen bằng phương pháp chưng cất.........................................70 II.2. Làm giàu phân đoạn Limonene...............................................................71 II.3. Phân tách Limonen bằng phương pháp ete hóa....................................72 II.3.1 Khảo sát lượng xúc tác tối ưu.....................................................72 II.3.2 Khảo sát nhiệt độ phản ứng tối ưu..............................................73 II.3.3 Khảo sát các loại rượu khác nhau..............................................74 II.3.4 Khảo sát lượng than hoạt tính tối ưu..........................................75 KẾT LUẬN..................................................................................................................77 TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................79 TÓM TẮT....................................................................................................................85 MỤC LỤC....................................................................................................................88 Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 7 DANH MỤC CÁC HÌNH Phần I Chương I Hinh I.1.1. Bãi rác Stung Meanchey ở Thủ đô Phnom Penh, Campuchia Hình I.1.2. Bãi chôn lấp rác Đa Phước (TP Hồ Chí Minh) Hình I.1.3. Sơ đồ biểu thị lượng rác phế Hà nội Hình I.1.4. Bãi săm lốp ô tô phế thải (Mỹ) Hình I.1.5. Đốt các bãi săm lốp ô tô phế thải (Mỹ) Hình I.1.6. Chôn các bãi săm lốp ô tô phế thải (Mỹ) Hình I.1.7. Loại muỗi sống trong các lốp xe phế thải Hình I.1.8. Loại rắn cư trú trong các lốp xe phế thải Hình I.1.9. Sơ đồ phân loại cao su Hình I.1.10. Sơ đồ quá trình sản xuất cao su Chương II Hình I.2.1. Sơ đồ nhiệt phân của hãng Metso Mineral Hình I.2.2. Nguyên liệu cao su đã nghiền Hình I.2.3. Dây chuyền nhiệt phân Hình I.2.4. Cho nguyên liệu vào dây chuyền nhiệt phân Hình I.2.5. Sản phẩm lỏng của quá trình nhiệt phân Hình I.2.6. Sản phẩm lỏng được cho vào bình nhiên liệu của xe ô tô Hình I.2.7. Sản phẩm lỏng được cho vào bình nhiên liệu của xe ô tô Hình I.2.8. Khởi động động cơ Hình I.2.9. Động cơ được khởi động Hình I.2.10. Ô tô đang chạy thử nghiệm Hình I.2.11. Mô phỏng dây chuyền hãng Metso Hình I.2.12. Sơ đồ nhiệt phân dạng pilot Canada Hình I.2.13. Sơ đồ phản ứng thu Ete Limonene Chương III Hình I.3.1. Cấu tạo của Limonene Hình I.3.2. Cơ chế nhiệt phân cao su tự nhiên thành Limonene Hình I.3.3. Cơ chế nhiệt phân cao su 3-polybutadiene thành Limonene Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 8 Chương IV Hình I.4.1 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc giữa Z vào nhiệt độ với phản ứng thu nhiệt Hình I.4.2 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa năng lượng Gibbs vào nhiệt độ đối với phản ứng tỏa nhiệt Phần II Hình II.1. Sơ đồ nhiệt phân cao su Hình II.2. Sơ đồ bộ chưng cất Hình II.3. Thiết bị Sắc ký khí ghép khối phổ Hình II.4. Sắc đồ của sắc ký khí Phần III Hình III.1. Kết quả phân tích nhiệt DTA của mẫu săm Hình III.2. Kết quả phân tích nhiệt DTA của mẫu lốp Hình III.3. Kết quả phân tích nhiệt DTA của mẫu găng tay y tế Hình III.4. Lượng sản phẩm lỏng thu được phụ thuộc nhiệt độ nhiệt phân Hình III.5. Lượng sản phẩm lỏng thu được phụ thuộc tốc độ gia nhiệt Hình III.6. Lượng sản phẩm lỏng thu được phụ thuộc kích thước nguyên liệu Hình III.7. Lượng sản phẩm lỏng của phân đoạn làm giàu Limonen Hình III.8. Lượng sản phẩm lỏng của phân đoạn làm giàu Limonen khi có và không có hơi nước Hình III.9. Sắc ký đồ GC-MS của phân đoạn giàu Limonene Hình III.10. Hiệu suất phản ứng ete hóa phụ thuộc lượng xúc tác Hình III.11. Hiệu suất phản ứng ete hóa phụ thuộc nhiệt độ phản ứng Hình III.12. Hiệu suất phản ứng ete hóa phụ thuộc nhiệt độ phản ứng Hình III.13. Hiệu suất phản ứng ete hóa phụ thuộc nhiệt độ phản ứng Hình III.14. Sắc ký đồ của mono ete Limonene methyl với 5% than hoạt tính sử dụng xúc tác Amberlite-50 Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 9 DANH MỤC CÁC BẢN Phần I Bảng I.1.1 Phân loại rác thải ở Hà nội Bảng I.1.2. Năng lượng liên kết của liên kết chính trong cao su Bảng I.1.3. Thành phần hoá học cao su tự nhiên được tạo thành theo các phương pháp sản xuất khác nhau Bảng I.1.4. Tính chất vật lý của cao su tự nhiên BảngI.3.1. Một số tính chất của Limonene Phần III Bảng III.1. Lượng sản phẩm lỏng thu được khi tiến hành nhiệt phân tại các nhiệt độ khác nhau Bảng III.2. Lượng sản phẩm lỏng thu được khi tiến hành nhiệt phân với các tốc độ gia nhiệt khác nhau Bảng III.3. Lượng sản phẩm lỏng thu được khi tiến hành nhiệt phân với các kích thước nguyên liệu khác nhau Bảng III.4 Lượng sản phẩm lỏng thu được khi tiến hành nhiệt phân với khối lượng xúc tác khác nhau Bảng III.5 Lượng sản phẩm lỏng thu được trong phân đoạn làm giàu Limonene khi có và không có xúc tác hơi nước Bảng III.6. Kết quả phản ứng ete hóa với các lượng xúc tác khác nhau Bảng III.7. Kết quả phản ứng ete hóa với các nhiệt độ phản ứng khác nhau Bảng III.8. Kết quả phản ứng ete hóa với các loại rượu khác nhau Bảng III.9. Kết quả phản ứng ete hóa với các lượng than hoạt tính khác nhau Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 10 MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Hiện nay trên thế giới, rác thải nói chung và rác thải rắn nói riêng đang là một vấn đề cấp thiết, được quan tâm hàng đầu trong các Hội thảo về Xử lý các loại rác thải. Và trong từng giai đoạn phát triển của xã hội cũng luôn luôn đặt ra những yêu cầu để giảm thiểu lượng rác thải do các ngành công nghiệp hiện đại thải ra. Đây là một vấn đề hết sức phức tạp và khó khăn. Trong đó, các loại rác thải có nguồn gốc từ cao su là yếu tố gây ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống sinh hoạt của con người. Từ khi con người nhận thức được rác thải là một vấn nạn của thế giới, những mục tiêu về việc xử lý các loại rác thải ngày càng được nhận thức rõ ràng hơn. Mọi người đã tham gia tích cực các hoạt động xã hội liên quan tới vấn đề bảo vệ môi trường cũng như việc xử lý các loại rác thải, từ đó đưa ra các qui định chung để thực hiện một cách hiệu quả nhất. Vì thế trong thời gian vừa qua, chúng ta đã giải quyết được phần nào tình trạng ô nhiễm môi trường gây ra bởi lượng rác thải quá lớn. Bên cạnh những kết quả đạt được, công tác nghiên cứu và xử lý các loại rác thải vẫn còn nhiều vấn đề hạn chế như sau: lượng rác thải ngày càng tăng nhanh; việc phân loại rác thải còn gặp nhiều khó khăn; vấn đề quản lý và đưa các biện pháp xử lý còn gặp nhiều bất cập, lúng túng, bị động; các qui trình xử lý chưa hiệu quả; các chỉ tiêu kỹ thuật chưa phù hợp... Hiện nay, rác thải được xử lý theo phương pháp chôn lấp rất tràn lan, không theo một qui trình an toàn nào cho nên gây ô nhiễm đất, ô nhiễm nguồn nước ngầm nghiêm trọng. Ngoài ra còn xử lý theo phương pháp đốt gây ô nhiễm trầm trọng tới bầu khí quyển... Trong bối cạnh hiện nay, Việt Nam đã bắt đầu thực hiện các chính sách về phân loại rác, kiểm tra nguồn thải của các nhà máy cũng như những vấn đề quản lý thu gom các loại rác thải đưa về nơi xử lý an toàn, hiệu quả. Do đó, các nghiên cứu về giải quyết vấn nạn này hiện đang nhận được rất nhiều sự quan tâm. Đặc biệt là việc tái chế và tái sử dụng rác thải làm nguyên liệu, nhiên liệu cho các quá trình sản xuất khác, thu sản phẩm phục vụ cho đời sống xã hội. Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 11 Xuất phát từ thực trạng ô nhiễm môi trường và tồn đọng rác thải rắn, đặc biệt là các loại rác có nguồn gốc từ cao su như hiện nay, đề tài ‘‘Phân tích và chiết tách Limonene từ sản phẩm nhiệt phân các nguồn cao su phế thải’’ sẽ giải quyết một phần nào những vấn đề nêu trên. Đây là một trong những đề tài mang tính cấp thiết đối với vấn đề xử lý các loại rác thải độc hại trên toàn cầu hiện nay. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Thống kê tình hình rác thải trên Thế giới và ở Việt Nam: các nguồn rác thải rắn nói chung, rác thải có nguồn gốc từ cao su nói riêng. Phân tích ưu và nhược điểm của các phương pháp xử lý những nguồn rác thải rắn này. Tổng quan về nghiên cứu của các nhà khoa học trên Thế giới cũng như ở Việt Nam đã xây dựng những quy trình xử lý rác thải có nguồn gốc cao su tạo ra các nguyên liệu và nhiên liệu mới. Trên cơ sở của các nghiên cứu trên Thế giới xây dựng quy trình xử lý cao su phế thải, tác giả tiến hành nghiên cứu quá trình nhiệt phân các loại cao su phế thải, khảo sát các chế độ khác nhau nhằm thu được sản phẩm lỏng có hiệu suất tốt nhất. Các sản phẩm này, được xử lý đem đi phân tích, chiết tách thu hồi Limonene và Ete Limonene, đây là những thành phần rất có giá trị trong công nghệ các chất làm thơm và công nghệ y dược, mỹ phẩm... TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Trên Thế giới, theo tờ tạp chí nổi tiếng Time, rác thải cao su được xem là ‘‘Vấn nạn của thế kỉ XXI’’. Trước tình hình đó, một số các nhà khoa học đã nghiên cứu các quá trình tái sử dụng các loại rác thải cao su này từ đó thu nguyên liệu và nhiên liệu để thay thế phần nào cho các nguồn nguyên liệu và nhiên liệu đang dần bị cạn kiệt. Hiện nay, Mỹ, Nhật, Canada, Anh, Thái Lan, Trung Quốc... là các quốc gia có tốc độ gia tăng cao su phế thải rất nhanh, do đó việc nghiên cứu xử lý cũng là một nhiệm vụ quan trọng. Và kết quả là họ đã công bố nhiều nghiên cứu về vấn đề này, xây dựng những dây truyền chào bán thương mại... Việc phát hiện ra nguyên liệu quý trong sản phẩm lỏng thu được từ quá trình nhiệt phân cao su phế thải đã giành được rất nhiều sự quan tâm. Ở Nhật và Canada các nhà nghiên cứu của những trường đại học Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 12 nổi tiếng đã thành công trong phân tích, chiết tách Limonene từ sản phẩm nhiệt phân và công bố trên các tạp chí nổi tiếng như: Journal of Environment and Engineering, Elsevier... gây được sự chú ý lớn trong giới khoa học. Trong nước, chủ yếu các nguồn cao su phế thải ở dạng lốp xe phế thải, găng tay y tế... Việc tái chế và tái sử dụng các loại rác thải này rất khác nhau. Ví dụ như ở một làng nghề của tỉnh Quảng Ngãi lốp xe phế thải được thu gom lại rồi ‘‘xẻ thịt lốp xe’’để tạo ra những vật dụng sinh hoạt như: thùng đựng nước, dây cao su, dép cao su. Còn ở một nơi khác, thì lốp xe được dân làng ven sông dùng để nuôi hàu. Gần đây nhất, các nhà khoa học Việt Nam đã nghiên cứu các quy trình tái chế phế thải cao su thành những vật liệu cho xây dựng, thu nhiên liệu mới có tính chất tương đồng với dầu DO, FO... nhưng còn nhiều chỉ tiêu chưa như mong muốn. Và vấn đề thu nguyên liệu có giá trị từ quá trình nhiệt phân cao su phế thải cũng được các nhà khoa học Việt Nam rất quan tâm. Quy trình xử lý cao su phế thải này thu các sản phẩm có giá trị như Limonene, Ete Limonene... đã đạt được một số thành công bước đầu. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu là rác thải có nguồn gốc từ cao su như: xăm lốp xe máy, ô tô, xe đạp, găng tay y tế đã qua sử dụng... Phạm vi nghiên cứu của luận văn là thông kê thực trạng tình hình ô nhiễm môi trường do các loại rác thải rắn gây ra. Xây dựng được quy trình phân tích và chiết tách Limonene từ sản phẩm lỏng thu được của quá trình nhiệt phân cao su phế thải. Từ đó đề xuất các giải pháp tối ưu để thu được nguồn nguyên liệu có giá trị cao hơn và tách chiết tinh khiết hơn. NỘI DUNG VÀ KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN Luận văn được trình bày gồm 3 phần: Tổng quan, Thực nghiệm, Kết quả và Đề xuất. Trong đó, phần Thực nghiệm gồm 3 nội dung:  Dụng cụ và hóa chất liên quan đến thực nghiệm.  Khảo sát các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình phân tích và chiết tách Limonene.  Nguyễn Phúc Hải Các phương pháp phân tích dùng để phân tích đánh giá. - Hóa cơ bản 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 13 PHẦN I TỔNG QUAN LÝ THUYẾT Chương I: TỔNG QUAN VỀ RÁC THẢI RẮN VÀ NGUYÊN LIỆU CAO SU I. TÌNH HÌNH RÁC THẢI TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC I.1 Rác thải trên toàn thế giới Rác thải là một trong những bài toán nan giải của hầu hết đô thị ở các nước đang phát triển. Vấn đề nổi bật gần đây là khi không còn quỹ đất cho chôn lấp rác, nhiều thành phố lớn trên thế giới đã đẩy mạnh xây dựng lò đốt rác bất chấp tác hại đối với môi trường. Đó cũng là bài học cho nhiều nước đang loay hoay tìm giải pháp cho cuộc “khủng hoảng rác”. Theo thống kê của Ngân hàng Phát triển Châu Á, trung bình mỗi ngày chỉ riêng lượng chất thải rắn tại các thành phố lớn nhất của châu Á đã khoảng 760.000 tấn và ước tính sẽ tăng lên 1,8 triệu tấn vào năm 2025. Ví dụ thành phố Bắc Kinh - Trung Quốc, rác thải rắn năm 2006 đã lên đến con số báo động 115.000 tấn bao gồm hàng triệu lốp xe phế thải; 3,6 triệu tivi; tủ lạnh; máy giặt; máy tính; điều hòa; 2,3 triệu điện thoại di động… Hinh I.1.1. Bãi rác Stung Meanchey ở Thủ đô Phnom Penh, Campuchia Tháng 6-2009, chính quyền Bắc Kinh cảnh báo rằng tất cả 13 hố chôn lấp của thành phố sẽ không còn chỗ chứa trong vòng 5 năm tới, rằng họ sẽ phải đối mặt với một cuộc “khủng hoảng rác” nếu không nhanh chóng xây dựng khu chôn lấp và cơ sở đốt lò mới. [16] Hình ảnh phổ biến ở nhiều thành phố Châu Á hiện nay là những núi rác chất đống chưa qua xử lý hay diệt khuẩn. Trong khi đó các bãi chôn lấp sắp quá tải, việc tìm kiếm địa điểm xây khu chôn lấp, xử lý rác thải luôn gặp phải những khó khăn: một phần do sự phản đối của chính cư dân địa phương, phần khác do tâm lý “NIMBY” - viết tắt của “Not In My Backyard – không phải trong sân sau nhà tôi”. Đây là một thành ngữ quen thuộc mà các nhà môi trường quốc tế sử dụng để diễn tả tâm lý “miễn sao đẩy rác ra khỏi địa giới hành chính của mình”. Bãi rác gây ra hiểm họa môi trường là điều dễ dàng nhận thấy. Các chất phân hủy từ rác thải tạo ra một lượng lớn methane - một khí gây hiệu ứng nhà kính nghiêm trọng. Khi bãi rác và các khu chôn lấp quá tải, lò đốt rác được lựa chọn bởi có hai lợi thế khiến Nhật Bản và Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 14 phần lớn châu Âu theo đuổi: chúng chiếm ít diện tích hơn so với bãi rác và hơi nóng từ rác đốt có thể được sử dụng để tạo ra điện. Một điều tra độc lập của Ngân hàng Thế giới công bố năm 2007 cho thấy, ngân sách dành cho môi trường được gọi là “sao lãng, lơ là” khi chỉ chiếm 5% GDP; trong khi đó, nhiều chính phủ châu Á chi cho hoạt động bảo vệ môi trường chưa đầy 1% GDP. Tình trạng người dân phải chung sống với rác còn do nhiều nguyên nhân khác như: do ý thức người dân, do thiếu khung pháp lý, thiếu sáng kiến, thiếu nguồn vốn đầu tư và công nghệ. Cho tới nay, chỉ một số ít thành phố phát triển của Châu Á có đủ công nghệ khai thác rác như là một nguồn tài nguyên, tái chế và biến chúng thành nhiên liệu tái sinh. Để bảo vệ môi trường, người dân Singapore thực hiện tối đa 3R: Reduce (giảm sử dụng), Reuse (dùng lại) và Recycle (tái chế), để kéo dài thời gian sử dụng bãi rác Semakau càng lâu càng tốt. Và việc bãi rác Semakau tăng tuổi thọ là một minh chứng cho thấy người dân nước này đóng góp rất tích cực vào việc bảo vệ môi trường. Một mục tiêu trong kế hoạch Xanh của chính phủ Singapore năm 2012 là “Không cần bãi rác” chỉ đạt được khi tất cả mọi người cùng chung sức. New York, với hơn 8 triệu dân là đô thị đông dân nhất nước Mỹ đồng thời cũng là một nhà máy xử lý rác đúng nghĩa. Mỗi ngày số lượng rác phát sinh trong thành phố lên đến hơn chục nghìn tấn. Chi phí xử lý mỗi tấn rác tại đây lên tới 54-65 USD, chưa kể chi phí vận chuyển do nhà máy xử lý đặt rất xa trung tâm. Trong những năm gần đây, trước tình hình giá dầu liên tục tăng, các nước tiên tiến trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu và áp dụng thành công mô hình tái chế rác thải với mục đích sản xuất nhiên liệu. Có thể nói đây là biện pháp mang lại hiệu quả nhất, nó vừa giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường do rác thải cũng như giải quyết được vấn đề nhiên liệu đang hết sức nóng bỏng hiện nay. I.2 Tình hình rác thải ở Việt Nam Phát triển công nghiệp cũng như đô thị hóa của Việt Nam ngày một tăng do đó lượng rác thải cũng tăng dần theo thời gian. Theo những số liệu thống kê cho thấy rác thải sinh hoạt tập trung ở các khu đô thị, khu vực này có dân số chỉ chiếm 24% so với cả nước nhưng lượng rác thải ra lên đến 6 triệu tấn/năm. Rác có nhiều loại nên cũng có nhiều cách xử lý: chôn, đốt, tái sinh... Hiện cả miền Bắc chỉ có duy nhất lò đốt rác công nghiệp công suất nhỏ (4,8-5 tấn/ngày) trong khi mỗi năm riêng Hà Nội "sản sinh" khoảng 30.000 tấn chất thải công nghiệp nguy hại cần xử lý. [15] Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 15 Hiện nay, phương pháp xử lý rác thải chủ yếu là chôn lấp. Tuy nhiên, trong 91 bãi rác lớn hiện đang tồn tại trên cả nước, chỉ có 17 bãi hợp vệ sinh, chiếm chưa tới 19%. Trong khi đó, có 49 bãi rác (chiếm gần 54%) đang gây ô nhiễm nghiêm trọng". Đó là đánh giá của Tổng hội Xây dựng Việt Nam về tình hình chôn lấp rác thải hiện nay mà báo An ninh Thủ đô trích dẫn. Cũng như một số nước khác trong khu vực, Việt Nam mới chỉ áp dụng biện pháp đốt cho rác thải bệnh viện, rác thải công nghiệp độc hại trên quy mô nhỏ và tuy đã có những tiếp cận với những công nghệ đốt rác thải tận thu nhiệt lượng để phát điện, nhưng mới chỉ có một vài dự án Hình I.1.2. Bãi chôn lấp rác Đa Phước (TP Hồ Chí Minh) nhỏ được thực hiện ở thành phố Hồ Chí Minh. Nguyên nhân một phần vì rác thải đầu vào chưa được phân loại tốt, độ ẩm cao, giá trị calo thấp, kinh phí đầu tư và vận hành rất tốn kém, dẫn đến tình trạng đầu tư không đồng bộ, vận hành không đảm bảo kinh tế và gây nên các ô nhiễm thứ cấp. Phương pháp xử lý rác thải ở Hà Nội hiện nay chủ yếu vẫn là phương Hình I.1.3. Sơ đồ biểu thị lượng rác phế Hà nội pháp chôn lấp, tuy nhiên quỹ đất ngày càng hạn chế và việc thu gom rác thải chưa được chú ý đúng mức nên phương 1- CT Sinh hoạt;2- CT Công nghiệp;3- CT Xây dựng;4- CT Y tế nguy hại;5- Phân bùn bể phốt (Nguồn: URENCO Hà Nội) pháp này ngày càng thể hiện những nhược điểm nhất định. Những năm gần đây, việc xây dựng các nhà máy xử lý rác thải, nước thải ứng dụng công nghệ tiên tiến trên thế giới đã được tiến hành nhưng vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu xử lý rác thải trên địa bàn. Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 16 Bảng I.1.1 Phân loại rác thải ở Hà Nội Nhận xét * Khối lượng chất thải ngày càng gia tăng (>10% / năm). * Công nghệ xử lý lạc hậu. * Ý thức của cộng đồng dân cư trong công tác vệ sinh môi trường chưa cao, chất thải chưa được phân loại tại nguồn. II. TÌNH HÌNH RÁC THẢI CÓ NGUỒN GỐC CAO SU II.1 Tình hình rác thải cao su trên toàn thế giới Cao su là một loại vật liệu có các tính chất vô cùng quý giá. Các sản phẩm có nguồn gốc từ cao su ngày càng có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong đời sống. Tuy nhiên, các sản phẩm có nguồn gốc cao su cũng tạo ra một vấn đề rất lớn đối với môi trường do độ bền của nó rất cao nên thời gian cần thiết để phân hủy các sản phẩm phế thải là rất dài. Hẳn không phải là một bức tranh hài hoà, nhưng đây là thực tế. Hàng tỷ lốp xe phế thải đang rải rác đâu đó trên hành tinh chúng ta. Những lốp xe này là một mối nguy hại lớn đối với môi trường. Chúng dễ bắt lửa, và khi chúng cháy, rất khó để dập Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 17 tắt ngọn lửa. Lốp xe đốt cháy gây ra những tác hại ghê gớm cho bầu không khí, mặt đất và những công trình xung quanh. Vấn nạn này đang tiếp tục gây nhiều tổn thất. Mỗi năm trung bình mỗi quốc gia thải ra hàng triệu săm lốp xe các loại, như vậy trên toàn thế giới mỗi năm nhận khoảng 1 tỷ săm lốp xe các Hình I.1.4. Bãi săm lốp ô tô phế thải (Mỹ) loại. Đây thực sự là thách thức lớn cho môi trường sống của con người. Theo thống kê chưa đầy đủ, chỉ riêng ở Mỹ, mỗi năm có hơn 350 triệu chiếc lốp ô tô được thải ra và hơn 2,5 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, và 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. 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. [19] Khi lượng cao su phế thải nhiều đến mức không còn chổ để vứt bỏ trên mặt đất nữa, người ta đã nghĩ đến một cách giải quyết khác là đốt các núi rác cao su phế thải. Tuy nhiên, việc đốt các đống cao su phế thải khổng lồ cũng gây ra sự ô nhiễm trầm trọng đối với Hình I.1.5. Đốt các bãi săm lốp ô tô phế thải (Mỹ) môi trường. Lửa cháy rất dữ dội khi đốt những đống vỏ săm lốp xe lớn, thật khó nếu muốn dập tắt nó. Có những đống vỏ săm lốp xe đến hàng tháng mới cháy hết, khi cháy chúng bốc lên những cột khói đen mang đầy khí độc tỏa lên bầu trời và những dòng chất lỏng làm ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước. Một vụ cháy lốp xe mới đây đã khiến cho một đường cao tốc chính ở Philadelphia bị phong toả trong nhiều tháng và tiêu tốn hàng triệu đô la để có thể xử lý hậu quả này. Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 18 Ngoài ra, người ta còn nghiền những vỏ săm lốp xe ra và chôn chúng vào trong lòng đất. Tuy nhiên điều này nhanh chóng bị nhiều nước lên tiếng phản đối khi họ nhận ra những vỏ săm lốp xe bị chôn dưới lòng đất sẽ tác động đến nguồn nước ngầm và làm nhiễm bẩn nguồn nước. Hình I.1.6. Chôn các bãi săm lốp ô tô phế thải (Mỹ) II.2 Tình hình rác thải cao su ở Việt Nam Với trên 20 triệu xe gắn máy, 15 triệu xe đạp, gần 700 ngàn ôtô các loại, thêm vào đó là lợi thế của một vùng nguyên liệu cao su rộng lớn, Việt Nam hiện đang được đánh giá là thị trường đầy tiềm năng của ngành sản xuất săm lốp. Tuy nhiên song song với sự phát triển sản xuất, lượng cao su phế thải cũng ngày càng nhiều hơn. Theo Hiệp hội Đánh giá Tiêu chuẩn Lốp Ô tô thì khi đi khoảng 40.000 km là phải thay lốp xe, nhưng do điều kiện đường Việt Nam thì khoảng 30.000-35.000 km phải thay lốp. Cứ như vậy hàng năm lốp xe phế thải tại Việt nam cũng thải ra môi trường với một khối lượng lớn. Tính đến năm 2008, Việt Nam có khoảng 75 doanh nghiệp cao su công nghiệp với nhu cầu tiêu thụ từ 500 đến 20.000 tấn mỗi năm được quản lý bởi TCT Hóa chất Việt Nam (Vinachem) và Tập đoàn CNCS VN (VRG). Mặc dù còn giới hạn trong sản xuất nhưng các dòng sản phẩm chế biến từ cao su của Việt Nam cũng tương đối đa dạng với săm, lốp xe ôtô và xe gắn máy, găng tay cao su phục vụ trong ngành y tế và tiêu dùng, đệm cao su và vỏ bọc dây điện dùng trong sản xuất, xây dựng và tiêu dùng, dòng sản phẩm phục vụ cho thể thao, giải trí và các lĩnh vực y tế … Hiện nay, cơ cấu sản phẩm cao su thành phẩm và định hướng đầu tư đang tập trung chủ yếu ở dòng sản phẩm săm, lốp xe ôtô, xe máy và xe đạp. Sản phẩm chế biến từ cao su của Việt Nam được sản xuất với thiết bị hiện đại và công nghệ tiên tiến từ châu Âu. Các sản phẩm có chất lượng cao, mẫu mã phù hợp thị hiếu người tiêu dùng, được đảm bảo về chất lượng và có khả năng cạnh tranh với chính sách giá linh hoạt và chăm sóc khách hàng cẩn thận [16] Mỗi năm Việt Nam nhập khẩu 100 triệu USD để mua săm lốp ô tô các loại, trong đó chủ yếu là nhập các loại lốp cao cấp. Riêng lốp xe đạp và xe máy, hầu hết Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009 Luận văn thạc sĩ khoa học 19 được sản xuất trong nước, chỉ nhập 100.000 chiếc, chủ yếu dùng cho những dòng xe chuyên dụng cao cấp. Mỗi năm thị trường Việt Nam tiêu thụ 1,2 triệu lốp Radial (100% thép), còn trong nước sản xuất chỉ 50.000 chiếc; tiêu thụ 2,1 triệu lốp Bias (lốp mành chéo), còn trong nước sản xuất 1,7 triệu chiếc. Đây là cơ hội tốt cho các doanh nghiệp Việt Nam liên doanh, liên kết xây dựng các nhà máy chế biến mủ cao su để tạo ra sản phẩm cao su có hàm lượng cao, tăng khai thác giá trị gia tăng của ngành cao su, từ đó chuyển dịch cơ cấu từ xuất khẩu thô sang xuất khẩu tinh. Bên cạnh đó, việc các nhà đầu tư tham gia vào thị trường Việt Nam còn có hiệu ứng dẫn đến việc nhập khẩu các máy móc, công nghệ, kỹ thuật phục vụ chế biến cao su. Từ đó các doanh nghiệp Việt Nam có thể chế biến, sản xuất ra các loại cao su có chất lượng cao, nâng cao giá thành, cạnh tranh với các đối thủ truyền thống như Thái Lan, Malaysia, Indonesia … Với lượng sản phẩm cao su như vậy, tình hình cao su phế thải cũng không ngừng tăng mạnh và đó là một vấn nạn cho môi trường. Hiện nay cao su phế thải chủ yếu được bán cho các lò gạch để làm nhiên liệu đốt lò. Tuy nhiên điều này lại gây ra một vấn đề là khói lò gây ô nhiễm môi trường không khí do trong khí thải có rất nhiều các khí độc như các hợp chất chứa lưu huỳnh, nitơ oxit... II.3 Các vấn đề liên quan đến cao su phế thải. Vấn đề bệnh tật Những bệnh truyền nhiễm gây ra từ loài muỗi có thể gây chết người không còn là mới đối với những dân ở ban Ohio trong năm 2002, cũng như hầu hết với những người liên quan từ những tài liệu ghi lại. Bây giờ nó chỉ giới hạn chỉ ở những vùng nhiệt đới và những vùng phụ cận nhiệt đới của thế giới, những bệnh truyền nhiễm từ loài muỗi có thể kể đến là bệnh sốt vàng hay bệnh sốt rét. Những căn bệnh này đã cướp đi mạng sống của nhiều người dân ở các nước thuộc địa trước đây khi những săm lốp xe phế thải đã bị vứt bỏ ở các vùng đất trống trên các nước này. Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009 Hình I.1.7. Loại muỗi sống trong các lốp xe phế thải Luận văn thạc sĩ khoa học 20 Ta biết rằng loài muỗi đẻ trứng trong nước đọng, cũng như nó có thể sinh sôi từ trong những đống săm lốp xe bị vứt bỏ và cả những vũng nước đọng lại bên trong vỏ xe sau mỗi đợt trời mưa. Mỗi chiếc săm lốp xe có thể là nguồn tuyệt vời để sinh ra hàng nghìn con muỗi mang mầm bệnh trong mùa hè. Virut West Nile là loại nguy hiểm có thể gây ra chết người được truyền từ các loài muỗi mang mầm bệnh này. Người ta đã thống kê năm 1999 lần đầu tiên phát hiện loại virut này thì đến năm 2002 nó đã lan rộng ra 44 bang của Mỹ và đã có hơn 4000 trường hợp nhiễm bệnh, trong đó có 263 người đã chết [41] Do vậy chúng ta không thể để tồn tại những đống săm lốp phế thải như vậy vì nó là nguồn gây ra bệnh tật cho nhiều người. Một vấn đề nữa là những chiếc lốp xe phế thải cũng là nơi trú ẩn tốt và an toàn cho loài rắn, nhiều trường hợp công nhân lao động của khu tái chế lốp xe phế thải ở bang Ohio – Mỹ đã bị đe dọa bởi rắn sống trong lốp xe cũ và nhiều trường hợp đã tử vong. III. Hình I.1.8. Loại rắn cư trú trong các lốp xe phế thải Giới thiệu chung về nguyên vật liệu cao su 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 tử, 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. 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. [8] Nguyễn Phúc Hải - Hóa cơ bản 2007-2009