CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Thực trạng rác thải nhựa tại Việt Nam Theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi trường, khoảng 1.8 triệu tấn rác thải nhựa được thải ra môi trường hàng năm ở Việt Nam, trong đó 0.73 triệu tấn được thải ra biển, song chỉ 27% trong số đó được các cơ sở và doanh nghiệp tái chế và sử dụng lại. Điều đáng chú ý là việc xử lý, tái chế rác thải nhựa còn hạn chế. Hơn 90% rác thải nhựa được xử lý bằng cách chôn, lấp và đốt, trong khi chỉ 10% còn lại được tái chế [12].
Việt Nam đang phải đối mặt với nhiều rủi ro do rác thải nhựa gây ra. Lượng rác thải nhựa trong nước ngày càng tăng nhanh: năm 2014 khoảng 1.8 triệu tấn/năm, năm 2016 khoảng 2.0 triệu tấn/năm và hiện tại phát sinh khoảng 3. Mỗi năm, khối lượng rác thải nhựa đổ ra đại dương vào khoảng 0. Trung bình mỗi hộ gia đình ở Việt Nam sử dụng khoảng 1 kg túi nylon mỗi tháng.
Riêng tại hai thành phố lớn là TP.HCM và Hà Nội, hàng ngày trung bình có khoảng 80 tấn rác thải nhựa và túi nylon được thải ra môi trường [13]. Hiện nay vẫn còn nhiều hạn chế trong việc thu hồi, phân loại, tái chế và xử lý rác thải nhựa. Ở Việt Nam, lượng rác thải nhựa và túi nylon chiếm khoảng 8-12% lượng rác thải rắn sinh hoạt. Tuy nhiên chỉ xử lý và tái chế khoảng 11 đến 12% rác thải nhựa và túi nylon, phần còn lại chủ yếu được chôn lấp, đốt và thải ra môi trường [14].
Để khắc phục vấn đề rác thải nhựa tại Việt Nam với mục đích hướng về môi trường xanh – cuộc sống xanh, cần có lộ trình và giải pháp thu hút đầu tư, công nghệ trong các hoạt động như: cung cấp thiết bị phân loại tại nguồn để phân loại rác thải nhựa, xây dựng cơ sở và triển khai công nghệ tái chế rác thải nhựa. Sơ lược thành phần túi đựng rác Nguyên liệu để sản xuất túi đựng rác thông thường bao gồm các thành phần như: - Nhựa Polyethylene (PE): Đây là loại nhựa phổ biến nhất được sử dụng để sản xuất túi đựng rác. Có hai loại chính là PE nguyên sinh và PE tái chế. PE nguyên sinh thường 1 được sử dụng để làm túi đựng rác chất lượng cao, trong khi PE tái chế được làm từ vật liệu tái chế giúp giảm tác động đến môi trường [15].
- Nhựa Polypropylene (PP): Đây là một loại nhựa khác thường được sử dụng để sản xuất túi đựng rác. Nó có tính chất cơ học tốt và độ bền cao [15]. - Tinh thể Polylactic Acid (PLA): PLA là một loại nhựa sinh học được làm từ nguồn gốc thực vật như đường mía hay tinh bột. Túi đựng rác được làm từ PLA có khả năng phân hủy sinh học và ít gây tác động đến môi trường hơn so với túi đựng rác từ nhựa thông thường [16].
- Chất phụ gia và màu sắc: Để sản xuất túi đựng rác có thể sử dụng các chất phụ gia như chất tạo màu (thường là màu đen), chất tạo độ bóng, chất chống tia cực tím (chì hoặc cadmium), chất chống tĩnh điện và các chất cải thiện tính chất cơ học [17]. Các thành phần trên có thể được kết hợp với nhau trong quá trình sản xuất túi đựng rác để đáp ứng các yêu cầu về tính chất cơ học, môi trường và chi phí. Tổng quan về nhựa nhiệt dẻo 1. Khái niệm Nhựa nhiệt dẻo là một loại polymer có khả năng chảy mềm lặp lại nhiều lần khi bị nhiệt tác động và trở nên cứng rắn (định hình) khi nguội.
Nguyên nhân là do nhựa nhiệt dẻo 2 có liên kết liên phân tử yếu giữa các chuỗi polymer. Do đó, khi bị nhiệt tác động thì tính chất vật lý của nhựa nhiệt dẻo thay đổi mà không xảy ra phản ứng hoá học. Nhờ đặc tính này, nhựa nhiệt dẻo có khả năng tái sinh nhiều lần [18]. Những sản phẩm phế phẩm có thể được sử dụng như nguyên liệu nhằm tạo ra các sản phẩm mới khác.
Một số loại nhựa điển hình cho nhựa nhiệt dẻo là HDPE, LDPE, polyester, polypropylene… Hình 1.2 Cấu trúc của nhựa nhiệt dẻo trước và sau khi gia nhiệt 1. Đặc tính chung của nhựa nhiệt dẻo Một yếu tố rất quan trọng có tác động trực tiếp đến một số đặc tính của vật liệu là nhiệt độ. Nó có thể gây ra các biến dạng như mềm dẻo, rạn nứt, phân hủy, lão hóa, biến màu. Đặc tính chỉ số chảy của nhựa phải được chú ý khi vật liệu nhựa nhiệt dẻo được gia công chế tạo.
Chỉ số chảy càng lớn thì tính lưu động của vật liệu càng cao và dễ gia công hơn. Chỉ số chảy thấp cho thấy tính lưu động của vật liệu kém và khó gia công [18]. Gia công nhựa nhiệt dẻo ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh và áp lực phải được duy trì lên mẫu cho đến khi sản phẩm nguội để định hình [18]. Hiện nay, nhựa nhiệt dẻo được dùng rộng rãi vì tính kinh tế và có thể tái sinh.
Nhựa Polyethylene Ký hiệu khoa học là PE và gồm 2 loại: PE tỷ trọng cao và PE tỷ trọng thấp. Cả hai loại nhựa này đều được tổng hợp thông qua phản ứng trùng hợp. HDPE được sản xuất ở áp suất thấp, còn LDPE được sản xuất ở áp suất cao. Công thức hóa học: Hình 1.3 Công thức hóa học của PE 3 1.
Polyethylene tỷ trọng cao (High Density Polyethylene) Polyethylene tỷ trọng cao (ký hiệu khoa học là HDPE) là vật liệu polymer được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nhựa. Phần tử lượng HDPE cao trung bình từ 800,000 đến 3,000,000 (đơn vị C). Độ bền ứng suất càng lớn khi phân tử lượng càng lớn (kéo đứt, giãn, dài, va đập… tăng) [18]. Cấu trúc mạch của HDPE là tuyến tính và có rất ít sự phân nhánh nên có lực liên phân tử mạnh.
Do đó HDPE có độ bền kéo cao, khả năng chống va đập tốt và được dùng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như bao bì, hệ thống ống nước, sản phẩm gia dụng, phụ tùng cho công nghiệp… Tuy nhiên, HDPE cũng có hạn chế về đặc tính, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất như khả năng chịu nhiệt thấp, dễ cháy và khó liên kết với các hợp chất khác [19]. Chính vì vậy, những nhược điểm nêu trên của HDPE có thể được khắc phục bằng việc sử dụng thêm các chất phụ gia hoặc sợi gia cường (polypropylene, polyester…) nhằm tăng tính chịu nhiệt, tăng độ bền cơ học và ứng dụng sản xuất trong môi trường khắc nghiệt.4 Cấu trúc HDPE ở không gian 3D (a), chuỗi dài mạch HDPE (b) HDPE có cấu trúc bán kết tinh khác với một số loại nhựa nhiệt dẻo như polystyrene (PS) có dạng vô định hình. Sự khác biệt này là do có sự ảnh hưởng của cách sắp xếp các chuỗi phân tử trong cấu trúc và khả năng chịu nhiệt của polymer. Ở dạng bán kết tinh, các phân tử được sắp xếp theo một trật tự khá đồng đều nên độ bền và khả năng chống ăn mòn tốt nhưng khả năng chống va đập thấp hơn so với các vật liệu có cấu trúc kết tinh.
Ngoại quan của HDPE đục mờ (không trong suốt) và nó có độ kết tinh từ 85 – 95% [18].5 Cấu trúc tinh thể của vật liệu polymer Ứng dụng của HDPE vào sản xuất: Bảng 1.1 Sự ảnh hưởng của chỉ số chảy trong ứng dụng sản xuất của HDPE STT Ứng dụng Chỉ số chảy (g/10 phút) Ống dẫn nước, dẫn hóa chất lỏng, ống xốp cách 1 0,01 – 5,5 nhiệt… Sản phẩm gia dụng, phụ tùng cho công nghiệp, 2 2 – 18 thùng chứa… Màng (film), túi xốp, túi đựng hóa chất, thực 3 0,5 – 0,35 phẩm… Sản phẩm dạng tấm cho những nhu cầu đặc 4 0,1 – 0,2 biệt… 5 Sản phẩm thổi các loại chai, lọ, thùng chứa… 0,05 – 0,3 6 Sợi dệt, sợi đơn làm bao dệt, bao che phủ… 0,8 – 1,0 1. Polyethylene tỷ trọng thấp (Low Density Polyethylene) Polyethylene tỷ trọng thấp (ký hiệu khoa học là LDPE) có nhiều đặc tính và được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nhựa tương tự với vật liệu Polyethylene tỷ trọng cao. Song, LDPE có một vài điểm khác biệt so với HDPE. Phân tử lượng trung bình của LDPE từ 80.
Cấu trúc phân tử của LDPE chứa nhiều mạch nhánh ngắn lẫn mạch nhánh dài dẫn đến sự phân bố đồng đều của phân tử bị hạn chế. Do đó, LDPE có tỷ trọng và độ kết tinh thấp hơn so với HDPE. Vì vậy, sản phẩm của LDPE trong hơn so với HDPE với độ kết tinh 60 – 70% [18].6 Chuỗi dài mạch LDPE Ứng dụng của LDPE vào sản xuất: Bảng 1.2 Sự ảnh hưởng của chỉ số chảy trong ứng dụng sản xuất của LDPE STT Ứng dụng Chỉ số chảy (g/10 phút) Sản phẩm gia dụng, sản phẩm thổi như chai lọ, 1 0,8 – 1,0 màng co… Các loại sơn đơn với các loại dây thường (kết 2 hợp với HDPE) dùng để phủ và cán tráng lên 4 – 25 các loại màng mỏng khác Nhựa được sản xuất ở dạng hạt, bột theo yêu 3 cầu 4 Các loại ống mềm 1. Sự khác biệt giữa các đặc tính của HDPE và LDPE Do HDPE và LDPE có sự khác biệt về cấu trúc hóa học dẫn đến hai loại nhựa này có sự khác biệt với nhau trong các đặc tính cơ lý – hóa học được thể hiện ở bảng 1.3 Sự khác biệt giữa các đặc tính của HDPE và LDPE STT Đặc tính HDPE LDPE 1 Phần tử lượng trung bình (C) 80.
Sơ lược HDPE và LDPE tái chế HDPE và LDPE tái chế là thành phẩm của quy trình tái chế từ nhựa HDPE và LDPE đã qua sử dụng. Túi đựng rác màu đen làm từ vật liệu HDPE và LDPE được thu gom sau khi được sử dụng trong sinh hoạt gia đình. Thông thường, có khá ít thông tin về đặc tính của HDPE và LDPE tái chế vì các sản phẩm tái chế thường chứa các chất phụ gia khó xác định. Đặc tính của vật liệu tái chế do đó cũng thay đổi.
So với nhựa nguyên sinh, tính chất của nhựa HDPE và LDPE sau khi tái chế thấp hơn về khối lượng phân tử trung bình, chỉ số chảy cũng như độ bền cơ học. Nhưng không vì vậy mà HDPE và LDPE tái chế có thị trường tiêu thụ kém hơn so với nhựa nguyên sinh. HDPE tái chế được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như túi đựng rác, sản phẩm đóng gói, sợi thảm, vật liệu chống thấm trong xây dựng [20].