Tổng quan nghiên cứu

Túi nilon, được phát minh cách đây khoảng 150 năm, là sản phẩm từ nhựa polyethylene có nguồn gốc dầu mỏ với khả năng tự phân hủy rất chậm, dẫn đến tình trạng “ô nhiễm trắng” nghiêm trọng do rác thải nilon chủ yếu phát sinh từ sinh hoạt, y tế, công nghiệp và nông nghiệp. Ở Việt Nam, từ những năm 1980, lượng sử dụng túi nilon tăng nhanh, kéo theo khó khăn trong thu gom và xử lý. Đến đầu thập niên 1990, công nghệ tái chế nilon trong nước không còn cạnh tranh được với nguyên liệu chính phẩm, làm gia tăng ô nhiễm môi trường. Các bãi rác đô thị như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, Bà Rịa – Vũng Tàu đã triển khai các cơ sở tái chế nilon, nhưng phần lớn công đoạn làm sạch vẫn thủ công, gây năng suất thấp và ô nhiễm nước thải nghiêm trọng.

Năm 2012, một mẫu máy làm sạch nilon theo nguyên lý đập dọc trục (đập rũ) được đề xuất nhằm làm sạch sơ bộ nilon bằng phương pháp khô, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả tái chế. Tuy nhiên, các thông số tối ưu của máy này chưa được xác định đầy đủ. Luận văn tập trung nghiên cứu xác định các thông số tối ưu cho máy làm sạch nilon MLSNLK – 100 với năng suất 100 kg/h, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nilon từ rác thải, giảm chi phí năng lượng và hạn chế ô nhiễm môi trường phát sinh.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào quá trình làm sạch nilon từ rác thải sinh hoạt tại Việt Nam, trong bối cảnh công nghệ tái chế nilon truyền thống còn nhiều hạn chế. Mục tiêu cụ thể là xác định các thông số kỹ thuật và công nghệ tối ưu cho máy làm sạch nilon MLSNLK – 100 theo nguyên lý đập rũ, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý rác thải đô thị và phát triển cơ khí phục vụ sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết động lực học máy đập dọc trục và nguyên lý đập rũ trong thu hoạch cây có hạt. Máy làm sạch nilon MLSNLK – 100 ứng dụng nguyên lý đập rũ, vốn được sử dụng trong máy thu hoạch để tách hạt khỏi rơm, chuyển đổi sang làm sạch nilon bằng phương pháp khô, nhằm phân ly các tạp chất bám trên nilon.

Ba khái niệm chính được áp dụng gồm:

  • Nguyên lý đập rũ (đập dọc trục): Tác động va đập và ma sát của răng đập lên khối vật liệu để tách các phần tử bám dính.
  • Động lực học trống đập: Phân tích lực đập, mô men quán tính, vận tốc quay trống và ảnh hưởng đến hiệu quả làm sạch.
  • Quy hoạch thực nghiệm: Phương pháp xây dựng mô hình thống kê thực nghiệm để xác định ảnh hưởng của các thông số vào đến hiệu quả làm sạch và chi phí năng lượng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ thực nghiệm trên máy làm sạch nilon MLSNLK – 100 với năng suất 100 kg/h, sử dụng rác thải nilon sinh hoạt có đặc tính cơ lý được xác định cụ thể (khối lượng riêng trung bình khoảng 1,088 g/cm³, khối lượng thể tích từ 124,8 đến 249,6 kg/m³, hệ số ma sát nilon với thép khoảng 0,406).

Phương pháp phân tích chính là quy hoạch thực nghiệm bậc I trực giao, với 4 thông số vào: lượng cung cấp (kg/ph), khe hở đầu răng đập với máng sàng (mm), góc nghiêng răng đập (độ), số vòng quay trống đập (vòng/phút). Mỗi thông số được khảo sát ở 3 mức biến thiên, mở rộng từ 10-30% so với mức cơ sở.

Quá trình nghiên cứu gồm:

  • Xây dựng mô hình toán học đa biến mô tả mức độ sạch và chi phí điện năng riêng.
  • Phân tích phương sai để loại bỏ các yếu tố không có ý nghĩa thống kê.
  • Tối ưu hóa đa mục tiêu nhằm cân bằng giữa độ sạch cao và chi phí năng lượng thấp.
  • Kiểm định thực nghiệm các chế độ tối ưu trên máy MLSNLK – 100.

Thời gian nghiên cứu tập trung trong năm 2013-2014 tại Trường Đại học Lâm nghiệp, tỉnh Đồng Nai.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của các thông số đến độ sạch nilon:
    Mức độ sạch nilon sau khi làm sạch đạt tối đa khoảng 95%, khi lượng cung cấp khoảng 1,67 kg/ph, khe hở đầu răng 40 mm, góc nghiêng răng 40 độ và số vòng quay trống 750 vòng/phút. Độ sạch giảm khi tăng lượng cung cấp vượt mức này do giảm thời gian tiếp xúc và tác động đập.

  2. Chi phí điện năng riêng:
    Chi phí điện năng riêng để làm sạch nilon dao động trong khoảng 0,15 – 0,25 kWh/kg, thấp nhất tại các chế độ vận hành với số vòng quay trống từ 650 đến 750 vòng/phút và khe hở đầu răng từ 35 đến 45 mm. Chi phí tăng khi số vòng quay quá cao do tổn thất năng lượng lớn.

  3. Mối quan hệ giữa độ sạch và chi phí năng lượng:
    Qua mô hình đa mục tiêu, khi tăng trọng số ưu tiên cho độ sạch, chi phí năng lượng tăng khoảng 15%. Ngược lại, ưu tiên giảm chi phí năng lượng làm giảm độ sạch khoảng 5%. Kết quả cho thấy có thể đạt được sự cân bằng tối ưu giữa hai chỉ tiêu này.

  4. Hiệu quả so với phương pháp làm sạch thủ công:
    Máy MLSNLK – 100 nâng cao năng suất làm sạch lên khoảng 100 kg/h, gấp 3-4 lần so với làm sạch thủ công, đồng thời giảm đáng kể ô nhiễm nước thải do không sử dụng nước trong quá trình làm sạch sơ bộ.

Thảo luận kết quả

Nguyên lý đập rũ cho phép tách các tạp chất bám trên nilon hiệu quả nhờ tác động va đập và ma sát cơ học, giảm thiểu việc sử dụng nước và hóa chất, từ đó hạn chế ô nhiễm môi trường. Các thông số kỹ thuật như khe hở đầu răng và góc nghiêng răng ảnh hưởng trực tiếp đến chuyển động và phân ly vật liệu, phù hợp với các nghiên cứu về máy đập dọc trục trong nông nghiệp.

So với các nghiên cứu trước đây về máy đập lúa, việc ứng dụng nguyên lý đập rũ vào làm sạch nilon là bước tiến mới, giúp nâng cao năng suất và chất lượng nguyên liệu tái chế. Mô hình thống kê thực nghiệm và tối ưu hóa đa mục tiêu cung cấp cơ sở khoa học để điều chỉnh máy phù hợp với điều kiện thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ bề mặt đáp ứng thể hiện ảnh hưởng đồng thời của hai thông số vào đến độ sạch và chi phí năng lượng, giúp trực quan hóa vùng tối ưu vận hành máy.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh lượng cung cấp nguyên liệu:
    Giảm lượng cung cấp nilon xuống khoảng 1,6 – 1,7 kg/ph để đảm bảo thời gian tiếp xúc đủ cho quá trình đập rũ, nâng cao độ sạch nguyên liệu. Thực hiện trong vòng 3 tháng đầu triển khai, do bộ phận vận hành máy chịu trách nhiệm.

  2. Tối ưu khe hở đầu răng đập:
    Điều chỉnh khe hở đầu răng với máng sàng trong khoảng 38 – 42 mm để cân bằng giữa hiệu quả phân ly và chi phí năng lượng. Thời gian thực hiện trong 1 tháng, kỹ thuật viên bảo trì máy thực hiện.

  3. Kiểm soát số vòng quay trống đập:
    Duy trì số vòng quay trống trong khoảng 700 – 750 vòng/phút để giảm hao phí năng lượng và tăng hiệu quả làm sạch. Áp dụng ngay trong vận hành thường xuyên, bộ phận điều khiển động cơ chịu trách nhiệm.

  4. Đào tạo vận hành và bảo trì:
    Tổ chức khóa đào tạo cho công nhân vận hành về nguyên lý làm việc và các thông số kỹ thuật tối ưu của máy MLSNLK – 100, nâng cao nhận thức về bảo vệ môi trường và hiệu quả sản xuất. Thời gian đào tạo 1 tháng, phòng kỹ thuật phối hợp với phòng nhân sự.

  5. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng:
    Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục áp dụng nguyên lý đập rũ cho các loại rác thải nhựa khác, nhằm đa dạng hóa công nghệ tái chế và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian nghiên cứu dự kiến 1-2 năm, các viện nghiên cứu và trường đại học phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí nông nghiệp:
    Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về nguyên lý đập rũ ứng dụng trong xử lý rác thải nilon, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và tái chế nhựa:
    Thông tin về thiết kế và vận hành máy làm sạch nilon MLSNLK – 100 giúp doanh nghiệp nâng cao hiệu quả tái chế, giảm chi phí và ô nhiễm môi trường.

  3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách:
    Cung cấp dữ liệu khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ công nghệ tái chế tiên tiến, góp phần giảm thiểu ô nhiễm trắng tại các đô thị lớn.

  4. Các đơn vị xử lý rác thải đô thị:
    Hướng dẫn áp dụng công nghệ làm sạch nilon bằng phương pháp khô, giảm thiểu ô nhiễm nước thải và nâng cao năng suất xử lý rác thải nhựa.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy làm sạch nilon MLSNLK – 100 hoạt động theo nguyên lý nào?
    Máy sử dụng nguyên lý đập rũ (đập dọc trục), tác động va đập và ma sát để tách các tạp chất bám trên nilon mà không cần sử dụng nước, giúp giảm ô nhiễm môi trường.

  2. Các thông số nào ảnh hưởng lớn nhất đến hiệu quả làm sạch?
    Lượng cung cấp nguyên liệu, khe hở đầu răng đập với máng sàng, góc nghiêng răng đập và số vòng quay trống đập là các thông số chính ảnh hưởng đến độ sạch và chi phí năng lượng.

  3. Máy có thể làm sạch nilon với năng suất bao nhiêu?
    Máy MLSNLK – 100 có năng suất khoảng 100 kg/h, gấp 3-4 lần so với phương pháp làm sạch thủ công truyền thống.

  4. Chi phí điện năng để làm sạch nilon là bao nhiêu?
    Chi phí điện năng riêng dao động từ 0,15 đến 0,25 kWh/kg, tùy thuộc vào chế độ vận hành và các thông số kỹ thuật của máy.

  5. Làm thế nào để tối ưu hóa vận hành máy?
    Cần điều chỉnh lượng cung cấp khoảng 1,67 kg/ph, khe hở đầu răng 40 mm, góc nghiêng răng 40 độ và số vòng quay trống 750 vòng/phút để đạt hiệu quả làm sạch cao nhất với chi phí năng lượng thấp nhất.

Kết luận

  • Đã xác định được các thông số tối ưu cho máy làm sạch nilon MLSNLK – 100 gồm lượng cung cấp 1,67 kg/ph, khe hở đầu răng 40 mm, góc nghiêng răng 40 độ và số vòng quay trống 750 vòng/phút.
  • Máy làm sạch nilon theo nguyên lý đập rũ nâng cao hiệu quả làm sạch, giảm chi phí năng lượng và hạn chế ô nhiễm môi trường so với phương pháp truyền thống.
  • Mô hình thống kê thực nghiệm và tối ưu hóa đa mục tiêu cung cấp cơ sở khoa học cho việc điều chỉnh và vận hành máy.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và đào tạo vận hành nhằm triển khai hiệu quả công nghệ tại các cơ sở tái chế rác thải đô thị.
  • Khuyến khích nghiên cứu mở rộng ứng dụng nguyên lý đập rũ cho các loại rác thải nhựa khác, góp phần phát triển bền vững ngành tái chế.

Hành động tiếp theo: Áp dụng các thông số tối ưu trong vận hành thực tế, đồng thời triển khai đào tạo và nghiên cứu mở rộng để nâng cao hiệu quả xử lý rác thải nilon tại Việt Nam.