Tài liệu Nghiên cứu quá trình sản xuất nhiên liệu từ nhựa phế thải

MỤC LỤC Phần I . Lí do chọn đề tài Phần II . Tổng quan vấn đề nghiên cứu , điểm mới , tính sáng tạo 1. Mục đích nghiên cứu 2. Tính sáng tạo của đề tài Phần III . Quá trình nghiên cứu và kết quả 1. Nguyên liệu và dụng cụ thí nghiệm Giới thiệu về chất lỏng ion 2. Nội dung nghiên cứu 3. Phương pháp tiến hành 4. Kết quả nghiên cứu 5. Hướng nghiên cứu từ nay đến tháng 3 - 2015 Phần IV . Tài liệu tham khảo I . LÍ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội, những nguồn nhiên liệu thiên nhiên không đủ để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người cả về số lượng và chất lượng. Điều này đã thôi thúc các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển các loại vật liệu mới đáp ứng nhu cầu của con người. Vì vậy mà các loại vật liệu nhân tạo và tổng hợp bắt đầu ra đời và phát triển nhanh chóng. Chỉ trong một thời gian không lâu, các loại vật liệu này đã mang lại lợi ích to lớn cho con người bởi sự đa dạng về chủng loại cũng như chất lượng . Một trong số đó là nhựa. Nhựa , hay còn gọi là chất dẻo, là các hợp chất cao phân tử, được dùng làm vật liệu để sản xuất nhiều loại vật dụng trong đời sống hằng ngày như là:áo mưa, ống dẫn điện... cho đến những sản phẩm công nghiệp, gắn với đời sống hiện đại của con người. Chúng là những vật liệu có khả năng bị biến dạng khi chịu tác dụng của nhiệt, áp suất và vẫn giữ được sự biến dạng đó khi thôi tác dụng. Chất dẻo còn được sử dụng rộng rãi để thay thế cho các sản phẩm làm bằng: vải, gỗ, da, kim loại, thủy tinh. Vì chùng bền, nhẹ, khó vỡ, nhiều màu sắc đẹp. Chất dẻo thường các chất tổng hợp có nguồn gốc từ các sản phẩm hóa dầu nên có khả năng tái chế thành nhiên liệu II . TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Mục đích nghiên cứu - Giảm lượng rác thải thải ra môi trường , qua đó cải thiện tình trạng ô nhiễm môi trường . - Tạo ra một nguồn nhiên liệu mới không phụ thuộc vào dầu mỏ.  Trong đề tài này chúng em sử dụng chủ yếu là nhựa polyetylen terephtalat (PET) . 2. Tính sáng tạo của đề tài Trước đây phương pháp nhiệt phân nhựa từng được sử dụng để thu hồi năng lượng hóa học lưu trữ trong chất thải nhựa dạng năng lượng nhiệt . Nhưng phương pháp này ít được sử dụng vì nó thải ra môi trường nhiều khí thải trong quá trình phản ứng , gây hại cho môi trường sinh thái và sức khỏe con người . Trong đề tài nghiên cứu này chúng em sử dụng chất lỏng ion làm xúc tác cho quá trình sản xuất này . III . QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 1 . Nguyên liệu và dụng cụ thí nghiệm 1.1 . Nhựa PET Nhựa PET thải được lấy từ vỏ chai nước , được rửa sạch , cắt nhỏ , sấy khô trong tủ hút chân không ở 90°C . Nhựa polyetylen viết tắt là PET , PETE hoặc PETP là một loại nhựa dẻo polyme , nhựa của polyeste và được sử dụng trong sợi tổng hợp , vật đựng nước giải khát , thực phẩm và chất lỏng khác , nhựa kĩ thuật thường kết hợp với sợi thủy tinh. PET thường ở dạng vô định hình (trong suốt )hay polyme bán tinh thể . Các vật liệu có thể xuất hiện trong suốt ( kích thước hạt < 500 nm), hoặc đục trắng ( hạt có kích thước lên đến vài µm ). PET có thể được bọc bởi vỏ cứng hay làm vỏ cứng bọc vật dụng , tùy thuộc vào bề dày lớp và lượng nhựa cần thiết . Nó tạo thành một màng chống thấm khí và ẩm tốt . Chai PET chứa được các loại thức uống như rượu và các loại khác , bền và chịu được va đập mạnh . PET có màu tự nhiên với độ trong suốt cao. Nhựa PET thải khá nhiều chiếm khoảng 6% tổng lượng rác thải nhựa thải ra môi trường. Một số tính chất hóa lý của PET được đưa ra trong bảng sau: Nhựa PET Công thức phân tử (C10H8O4)n Tỷ trọng vô định hình 1,370 g/cm3 Tỷ trọng tinh thể 1,455 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy 260°C Nhiệt dung riêng (c) 1.0kJ/kgK Độ hút nước (ASTM) 0,16 Một trong những đăc tính quan trọng của PET là độ nhớt . Độ nhớt phụ thuộc vào độ dài mạch polymer. Độ dài mạch càng dài thì độ nhớt càng cao. Vì vậy nhựa PET rất phù hợp với việc sản xuất nhiên liệu . 1.2 . Chất lỏng ion Chất lỏng ion 1-butyl- 3 –metyl – imidazoli chloride được tổng hợp sẵn từ trường Đại học Mỏ - Địa chất . CHẤT LỎNG ION Chất lỏng ion (Ionic Liquids) viết tắt là ILs là hợp chất ion (muối) có nhiệt độ nóng chảy dưới 100°C , thường là chất lỏng ở nhiệt độ phòng . Chất lỏng ion được tạo thành từ cations hữu cơ (amoni , sunfoni , photphoni ) và anion vô cơ ( thường là halogen hoặc anion sunfat hữu cơ ) . ILs có phần cation thường là 1-ankyl 3-metyl imidazolium (MIM) ví dụ như BMIM thì gốc ankyl là butyl. Một số tính chất của chất lỏng ion : - Gần như không tồn tại áp xuất hơi . Vì vậy các phản ứng nhiệt phân có chất lỏng ion thường không gây cháy nổ . - Có điểm phân hủy khoảng 300-350°C nếu tăng thêm nhiệt độ thì chất lỏng ion sẽ phân hủy chứ không bay hơi . - ILs có độ dẫn ion khá cao, ở nhiệt dộ 25°C , các ILs có nhân cation là 1,3-dialkylimidazolium có độ dẫn ion khoảng vìa chục mS/cm (Simend là đơn vị nghịch đảo của đơn vị điện trở khoáng Ohm ) - ILs là muối như nhiều muối hữu cơ khác nhưng có khả năng hòa tan trong nhiều dung môi hữu cơ phân cực. - ILs khá bền mà lại không bay hơi trong điều kiện 2-300°C đó là điều kiện lí tưởng để ILs trở thành dung môi than thiện với môi trường - ILs có khả năng hòa tan 1 dãy khá rộng các chất hữu cơ , vô cơ cũng như các hợp chất cơ kim - Các chất lỏng ion có khả năng hòa tan tốt các khí H2 ,CO2, CO,O2 - Chất lỏng ion có tốc độ phản ứng lớn nhất là khi có sự hỗ trợ của vi sóng (microwave) - Chất lỏng ion có thể lưu trữ trong 1 thời gian dài mà không bị phân hủy Phương pháp tổng hợp chất lỏng ion Thông thường để tổng hợp chất lỏng ion cần thực hiện hai bước sau : - Bước tạo cation mong muốn - Bước trao đổi anion để tạo thành sản phẩm . Bước đầu tiên là sự tạo muối amoni hoặc muối phophoni bằng cách ankyl hóa , trong rất nhiều trường hợp chỉ cần một bước này để thu được sản phẩm mong muốn. Nếu ở bước 1 chưa tạo thành sản phẩm mong muốn thì cần phải có bước thứ hai là trao đổi anion . Nếu muốn tổng hợp các chất lỏng ion dạng muối ở dạng muối halogenua thì cần phải thêm axit Lewis ( ví dụ AlCl3 ) Các phương trình phản ứng như sau : [R’R3N]+[X] + AlCl3 → [R’R3N]+[AlCl4¯] [R’R3N]+[AlCl4¯] + AlCl3 → [R’R3N]+[Al2Cl7¯] [R’R3N]+[Al2Cl7¯] + AlCl3 → [R’R3N]+[Al3Cl10¯] 1.3 . Các dụng cụ thí nghiệm chính • Lò phản ứng nhiệt phân • Lò phản ứng hidrocracking • Bình cất có cột cất phân đoạn 2 . Nội dung nghiên cứu • Nội dung 1 : Nghiên cứu quá trình sản xuất nhiên liệu từ nhựa phế thải • Nội dung 2 : Đánh giá chất lượng sản phẩm thu được 3 . Phương pháp tiến hành Chúng em đã tiến hành 2 thí nghiệm rồi so sánh sản phẩm thu được qua quá trình sản xuất để kiểm nghiệm tác dụng của chất lỏng ion . Thí nghiệm 1 : • Bước 1 : Thu gom nhựa PET đã qua sử dụng . Cắt nhỏ rồi sấy khô. •Bước 2 : Nhiệt phân ở nhiệt độ 380°C trong khoảng 6-8 tiếng . •Bước 3 : Các loại dầu nhẹ dầu dễ bay hơi được loại bỏ bằng dung dịch HCl → Ta thu được 1 dung dịch gọi là sản phẩm A. •Bước 4 : Cho sản phẩm A tác dụng với H2 . Chưng cất sản phẩm thu được . •Bước 5 : Những vật liệu trơ , màng nhăn sau bước 5 được loại bỏ → ta thu được 1 lượng hidrocacbon gọi là sản phẩm B . •Bước 6 : Cho sản phẩm B vào lò hiđrocracking để tạo thành sản phẩm Thí nghiệm 2 : •Bước 1 : Thu gom nhựa đã qua sử dụng . Cắt nhỏ nhựa rồi xấy khô . •Bước 2 : Nhiệt phân nhựa trong khoảng 340°C trong 1-2 giờ rồi tăng nhiệt độ thêm khoảng 30-50°C trong khoảng 30 phút. •Bước 3 : Sau khi nhiệt phân ta thu được 1 lượng chất lỏng gọi là sản phẩm A . Chất rắn còn lại sau phản ứng được rửa sạch , xấy khô để đo độ chuyển hóa và độ chọn lọc . •Bước 4 : Các loại dầu nhẹ dầu dễ bay hơi được loại bỏ bằng dung dịch HCl . •Bước 5 : Cho sản phẩm thu được sau bước 4 phản ứng với H 2 với xúc tác chất lỏng ion . Ta thu được 1 lượng hỗn hợp trong bình phản ứng gọi là sản phẩm B . Chưng cất sản phẩm B . •Bước 6 : Loại bỏ các vật liệu trơ và màng nhăn trong bình còn lại sau bước 5 . Ta thu được 1 lượng chất lỏng hidrocacbon gọi là sản phẩm C . •Bước 7 : Đưa sản phẩm C vào lò hidrocracking để tạo thành nhiên liệu cần sản xuất . Một số công thức tính toán trong quá trình sản xuất Độ chuyển hóa Độ chuyển hóa được tính bằng công thức ω−ω ' Độ chuyển hóa ¿ ω ×100% ω là lượng nguyên liệu đưa vào phản ứng (g) ω′ là lượng sản phẩm thu được (g) Hiệu suất phản ứng Hiệu suất phản ứng được tính bằng công thức Hiệu suất phản ứng= α' α ×100% Trong đó : α′ là khối lượng sản phẩm thu được trong thực tế (g) α là khối lượng sản phẩm thu được trong lí thuyết (g) 4 . Kết quả Đang trong quá trình tiến hành nên chưa ra kết quả 5 .Hướng nghiên cứu từ nay đến tháng 3 - 2015 Sử dụng vi sinh vật trong quá trình sản xuất nhiên liệu và phụ gia gốc phenol nhằm tăng chất lượng và sản lượng của sản phẩm . TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 . Nghiên cứu tổng hợp phụ gia đa chức năng phenol – imidazolin cho sản xuất nhiên liệu sinh học 2 . Nghiên cứu quá trình chuyển hóa nhựa polyetylen terephtalat thải thành hóa chất có ích