Tổng quan nghiên cứu

Quá trình cracking xúc tác là một công đoạn thiết yếu trong các nhà máy lọc dầu trên toàn cầu, với hơn 400 ngàn tấn xúc tác FCC (Fluid Catalytic Cracking) thải ra mỗi năm. Tại Việt Nam, nhà máy lọc hóa dầu Dung Quất thải khoảng 15-20 tấn xúc tác FCC mỗi ngày, tương đương 5.475-7.300 tấn/năm. Xúc tác FCC thải chứa các kim loại nặng như Pb, Ni, V, Fe, có thể gây hại cho sức khỏe con người và môi trường nếu không được xử lý đúng cách. Đồng thời, dầu ăn thải (Waste Cooking Oil - WCO) chiếm khoảng một phần ba tổng lượng chất béo toàn cầu, chứa nhiều thành phần độc hại, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe và môi trường. Việc chuyển đổi WCO thành nhiên liệu sinh học thông qua quá trình cracking xúc tác FCC thải được xem là giải pháp khả thi nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực và tận dụng nguồn nguyên liệu rẻ, sẵn có.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào xây dựng quy trình cracking chuyển hóa dầu ăn thải thành nhiên liệu sinh học sử dụng xúc tác FCC thải, khảo sát ảnh hưởng của các thông số vận hành như tỷ lệ xúc tác/dầu, nhiệt độ cracking, trị số acid của dầu ăn thải đến cơ cấu sản phẩm, đồng thời đề xuất phương án tái chế xúc tác thải sau cracking làm nguyên liệu sản xuất gạch không nung chất lượng cao. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại TP. Hồ Chí Minh, sử dụng xúc tác FCC thải từ nhà máy lọc dầu Dung Quất và dầu ăn thải thu gom từ các nhà hàng tại địa phương.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ nằm ở việc phát triển nhiên liệu sinh học thân thiện môi trường, giảm phát thải và ô nhiễm, mà còn góp phần xử lý hiệu quả xúc tác FCC thải, giảm thiểu chất thải nguy hại, đồng thời tạo ra sản phẩm gạch không nung có giá trị kinh tế và thân thiện với môi trường. Đây là nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam ứng dụng xúc tác FCC thải trong quá trình cracking dầu ăn thải, mở ra hướng đi mới cho ngành kỹ thuật môi trường và năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết cracking xúc tác và lý thuyết về xử lý chất thải rắn nguy hại. Quá trình cracking xúc tác FCC là phản ứng nhiệt phân xúc tác, chuyển đổi các phân đoạn hydrocacbon nặng thành các sản phẩm nhẹ có giá trị như LPG, xăng và diesel. Xúc tác FCC là acid rắn, gồm các hợp phần aluminosilicat (SiO2, Al2O3) và zeolit Y, có khả năng tăng hiệu suất cracking nhờ diện tích bề mặt lớn và tính acid mạnh. Ngoài ra, lý thuyết về xử lý xúc tác FCC thải tập trung vào việc tái sử dụng xúc tác đã qua sử dụng chứa kim loại nặng, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tận dụng làm nguyên liệu sản xuất vật liệu xây dựng như gạch không nung.

Các khái niệm chính bao gồm: trị số acid (acid value - AV) của dầu ăn thải, tỷ lệ xúc tác trên dầu (C/O), nhiệt độ cracking, hiệu suất sản phẩm có giá trị (LPG, xăng, diesel), và các chỉ tiêu chất lượng gạch không nung theo TCVN 6477:2016.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm xúc tác FCC thải từ nhà máy lọc dầu Dung Quất (hai mẫu SFCC-1 và SFCC-2), dầu ăn thải thu gom tại TP. Hồ Chí Minh với trị số acid từ 6 đến 22 mgKOH/g. Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích hóa lý xúc tác bằng phương pháp BET (đo diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp), XRF (xác định hàm lượng kim loại), và đo hàm lượng cacbon bằng phương pháp hồng ngoại.
  • Phân tích thành phần sản phẩm cracking khí và lỏng bằng sắc ký khí (GC) theo tiêu chuẩn ASTM D1945 và ASTM D2887.
  • Thí nghiệm cracking sử dụng thiết bị SR-SCT-MAT với thời gian tiếp xúc ngắn (9-12 giây), nhiệt độ phản ứng từ 450 đến 520 oC, tỷ lệ C/O từ 1,5 đến 3,5.
  • Đánh giá hiệu suất cracking dựa trên tỷ lệ phần trăm khối lượng sản phẩm có giá trị (LPG, xăng, diesel) và trị số acid của sản phẩm.
  • Sử dụng xúc tác FCC thải sau cracking phối trộn với xi măng và cốt liệu để sản xuất gạch không nung, đánh giá tính chất cơ lý (cường độ nén, độ hút nước, độ thấm nước) theo TCVN 6477:2016.
  • Xác định tính nguy hại của gạch không nung bằng phương pháp ngâm chiết TCLP và phân tích hoạt độ phóng xạ theo QCVN 07:2009/BTNMT và QCVN 6:2010/BKHCN.

Quy trình nghiên cứu được thực hiện từ tháng 02/2021 đến 12/2021, tại các phòng thí nghiệm chuyên ngành của Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. Hồ Chí Minh và Viện Dầu Khí Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ lệ xúc tác/dầu (C/O) đến hiệu suất sản phẩm: Khi tăng tỷ lệ C/O từ 1,5 lên 3,5 ở nhiệt độ 450 oC với dầu ăn thải có trị số acid 22 mgKOH/g, tổng sản lượng sản phẩm có giá trị tăng từ 62,8% lên 84,6%. Hàm lượng HCO giảm từ 33,4% xuống 4,2%, trong khi LPG, xăng và diesel tăng đáng kể. Trị số acid của sản phẩm lỏng giảm từ 1,22 xuống 0,82 mgKOH/g, tuy vẫn cao hơn tiêu chuẩn châu Âu (0,5 mgKOH/g).

  2. Ảnh hưởng của nhiệt độ cracking: Ở tỷ lệ C/O 3,5 và WCO22, khi tăng nhiệt độ từ 450 oC lên 520 oC, sản lượng LPG và xăng tăng, trong khi HCO và diesel giảm. Trị số acid giảm mạnh, đạt 0,34 mgKOH/g (SFCC-1) và 0,31 mgKOH/g (SFCC-2) ở 520 oC, đáp ứng tiêu chuẩn nhiên liệu sinh học. Sản phẩm cracking sử dụng xúc tác SFCC-2 có hàm lượng LPG cao hơn SFCC-1 do chứa zeolit ZSM-5.

  3. Ảnh hưởng của trị số acid nguyên liệu: Cracking các loại dầu ăn thải với trị số acid từ 6 đến 22 mgKOH/g ở 480 oC và C/O 3,5 cho hiệu suất sản phẩm có giá trị cao, khoảng 85,8%, với trị số acid sản phẩm dưới 0,5 mgKOH/g. Điều này chứng tỏ quá trình cracking không bị ảnh hưởng tiêu cực bởi trị số acid cao của nguyên liệu.

  4. Tái chế xúc tác FCC thải làm nguyên liệu sản xuất gạch không nung: Gạch 4 lỗ với tỷ lệ phối trộn 15% xúc tác FCC thải, 25% xi măng và phần còn lại là cốt liệu đạt cường độ nén 6,8 MPa, độ hút nước 12,21% và độ thấm nước 2,8 L/m2h, phù hợp tiêu chuẩn TCVN 6477:2016. Hàm lượng kim loại nặng Ni và V trong gạch thấp hơn giới hạn cho phép theo QCVN 07:2009/BTNMT, khẳng định gạch không nung sản xuất không phải là chất thải nguy hại.

Thảo luận kết quả

Việc tăng tỷ lệ xúc tác/dầu làm tăng hiệu quả cracking do tăng khả năng tiếp xúc xúc tác với nguyên liệu, thúc đẩy phản ứng chuyển hóa các phân đoạn nặng thành sản phẩm nhẹ có giá trị. Nhiệt độ cracking cao hơn kích thích hoạt tính zeolit, đặc biệt là zeolit ZSM-5 trong xúc tác SFCC-2, giúp tăng sản lượng LPG và giảm trị số acid sản phẩm, phù hợp tiêu chuẩn nhiên liệu sinh học quốc tế.

So với các nghiên cứu trước, tổng sản lượng sản phẩm có giá trị khoảng 85% tương đương với xúc tác FCC thương mại (83-88%), nhưng sử dụng xúc tác FCC thải giúp giảm chi phí và xử lý chất thải nguy hại hiệu quả. Trị số acid của sản phẩm lỏng thấp hơn nhiều so với nguyên liệu đầu vào, cho thấy quá trình cracking hiệu quả trong việc loại bỏ các acid béo tự do.

Việc tái sử dụng xúc tác FCC thải trong sản xuất gạch không nung không chỉ giảm thiểu lượng chất thải nguy hại mà còn tạo ra sản phẩm vật liệu xây dựng có chất lượng cao, thân thiện môi trường. Kết quả cơ lý và đánh giá tính nguy hại cho thấy gạch đạt tiêu chuẩn kỹ thuật và an toàn môi trường, mở ra hướng phát triển bền vững cho ngành vật liệu xây dựng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hiệu suất sản phẩm theo tỷ lệ C/O và nhiệt độ, bảng so sánh trị số acid nguyên liệu và sản phẩm, cũng như bảng tính chất cơ lý của gạch không nung với các tỷ lệ phối trộn khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa tỷ lệ xúc tác/dầu (C/O) trong khoảng 3,0-3,5 để đạt hiệu suất sản phẩm có giá trị cao (trên 84%) và giảm lượng cốc sinh ra, áp dụng trong các nhà máy lọc dầu có quy mô công nghiệp trong vòng 1-2 năm.

  2. Điều chỉnh nhiệt độ cracking ở mức 480 oC nhằm cân bằng giữa tiết kiệm năng lượng và chất lượng sản phẩm, đảm bảo trị số acid sản phẩm dưới 0,5 mgKOH/g, phù hợp tiêu chuẩn nhiên liệu sinh học quốc tế, triển khai trong các dây chuyền cracking hiện có.

  3. Khuyến khích sử dụng xúc tác FCC thải trong sản xuất nhiên liệu sinh học từ dầu ăn thải nhằm giảm chi phí nguyên liệu xúc tác và xử lý chất thải nguy hại, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường, áp dụng rộng rãi tại các nhà máy lọc dầu và cơ sở tái chế dầu ăn thải.

  4. Phát triển công nghệ sản xuất gạch không nung sử dụng xúc tác FCC thải với tỷ lệ phối trộn tối ưu 15% xúc tác, 25% xi măng, đảm bảo chất lượng gạch theo TCVN 6477:2016 và an toàn môi trường theo QCVN 07:2009/BTNMT, triển khai thử nghiệm sản xuất quy mô công nghiệp trong 1-3 năm tới.

  5. Xây dựng quy trình quản lý và xử lý xúc tác FCC thải đồng bộ từ thu gom, xử lý nhiệt đến tái sử dụng trong cracking và sản xuất vật liệu xây dựng, nhằm giảm thiểu tác động môi trường và tăng giá trị kinh tế, phối hợp giữa các nhà máy lọc dầu, cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp vật liệu xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường, kỹ thuật hóa học và công nghệ năng lượng tái tạo: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phương pháp phân tích chi tiết về cracking xúc tác dầu ăn thải và xử lý xúc tác FCC thải, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan.

  2. Các nhà quản lý và kỹ sư vận hành tại nhà máy lọc dầu: Tham khảo quy trình tối ưu hóa cracking dầu ăn thải sử dụng xúc tác FCC thải, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất nhiên liệu sinh học và xử lý chất thải nguy hại.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, đặc biệt là gạch không nung: Áp dụng công nghệ phối trộn xúc tác FCC thải làm nguyên liệu thay thế cát, đá mi, giảm chi phí nguyên liệu và phát triển sản phẩm thân thiện môi trường.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách năng lượng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các chính sách, quy chuẩn về xử lý xúc tác thải, phát triển nhiên liệu sinh học và vật liệu xây dựng xanh, góp phần thúc đẩy phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Quá trình cracking xúc tác FCC thải có thể xử lý được loại dầu ăn thải nào?
    Quá trình này hiệu quả với dầu ăn thải có trị số acid từ 6 đến 22 mgKOH/g, bao gồm cả dầu ăn thải đã qua sử dụng nhiều lần, nhờ khả năng chuyển hóa các acid béo tự do thành nhiên liệu sinh học có trị số acid thấp.

  2. Tỷ lệ xúc tác trên dầu (C/O) ảnh hưởng như thế nào đến sản phẩm?
    Tăng tỷ lệ C/O từ 1,5 lên 3,5 làm tăng tổng sản lượng sản phẩm có giá trị từ 62,8% lên 84,6%, giảm lượng cặn cốc và trị số acid sản phẩm, nhờ tăng khả năng tiếp xúc và hoạt tính xúc tác.

  3. Nhiệt độ cracking tối ưu để tiết kiệm năng lượng và đảm bảo chất lượng sản phẩm là bao nhiêu?
    Nhiệt độ 480 oC được xác định là tối ưu, giúp tiết kiệm năng lượng so với 520 oC nhưng vẫn đảm bảo sản phẩm có trị số acid dưới 0,5 mgKOH/g và hiệu suất sản phẩm cao.

  4. Xúc tác FCC thải sau cracking có thể tái sử dụng như thế nào?
    Xúc tác FCC thải sau cracking được phối trộn với xi măng và cốt liệu để sản xuất gạch không nung chất lượng cao, đạt tiêu chuẩn kỹ thuật và an toàn môi trường, góp phần giảm thiểu chất thải nguy hại.

  5. Sản phẩm nhiên liệu sinh học từ quá trình này có đáp ứng tiêu chuẩn quốc tế không?
    Sản phẩm nhiên liệu sinh học có trị số acid gần bằng 0, hàm lượng oxy thấp, và tổng sản lượng sản phẩm có giá trị đạt khoảng 85%, phù hợp với tiêu chuẩn ASTM D664 và các tiêu chuẩn nhiên liệu sinh học tại châu Âu và Mỹ.

Kết luận

  • Nghiên cứu thành công quy trình cracking dầu ăn thải sử dụng xúc tác FCC thải, đạt hiệu suất sản phẩm có giá trị lên đến 85,8% với trị số acid sản phẩm dưới 0,5 mgKOH/g.
  • Tỷ lệ xúc tác/dầu (C/O) và nhiệt độ cracking là hai thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả chuyển hóa và chất lượng nhiên liệu sinh học.
  • Xúc tác FCC thải sau cracking được tái chế hiệu quả làm nguyên liệu sản xuất gạch không nung đạt tiêu chuẩn kỹ thuật và an toàn môi trường.
  • Giải pháp này góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do xúc tác và dầu ăn thải, đồng thời tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế và thân thiện môi trường.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng quy trình cracking và sản xuất gạch không nung trong các nhà máy lọc dầu và doanh nghiệp vật liệu xây dựng trong vòng 1-3 năm tới để phát triển bền vững ngành năng lượng và môi trường.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp thử nghiệm quy mô công nghiệp, đồng thời hoàn thiện quy trình quản lý và xử lý xúc tác FCC thải để tối ưu hóa hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường.