Đặt vấn đề Trong những năm trở lại đây, với sự biến động theo chiều hướng tăng dần giá dầu mỏ, khí đốt đã gây ra rất nhiều khó khăn cho các nhà sản xuất có sử dụng năng lượng. Hiện nay, nguồn dầu mỏ của Việt Nam ngày càng cạn kiệt, theo đánh giá của các chuyên gia, nếu như tốc độ khai thác như hiện nay thì trong vòng khoảng 40 năm nữa, Việt Nam chúng ta phải nhập dầu thô và khí đốt. Chính vì thế việc nghiên cứu tìm kiếm công nghệ để có thể sản xuất nhiên liệu đi từ các nguồn nguyên liệu có sẵn khác nhau là một vấn đề cần thiết. Rác thải từ nhựa là một trong những loại rác rất khó phân hủy nên rất khó xử lý.
Nếu ta xử lý bằng phương pháp đốt sẽ gây ô nhiễm môi trường. Vì thế có thể nói rác thải nhựa đang là một vấn đề nan giải của cả toàn xã hội. Nghiên cứu “Nhiệt phân nhựa thành dầu nhiên liệu” không những đã góp phần xử lý triệt để rác thải nhựa, mà bên cạnh đó nó còn mang lại nguồn nhiên liệu quý giá trong khi việc tiết kiệm sử dụng năng lượng hoá thạch, tìm kiếm nguồn nhiên liệu để thay thế được nguyên liệu cổ điển được sản xuất từ dầu mỏ, tìm kiếm nguồn nhiên liệu tái tạo, nguồn nhiên liệu xanh sạch đang là vấn đề đang được quan tâm hàng đầu của các Quốc gia trên thế giới hiện nay. Trên thực tế, có ba quá trình chuyển hóa biomass để thu năng lượng: khí hóa, đốt cháy và nhiệt phân.
Quá trình khí hóa là quá trình chuyển những vật liệu chứa cacbon như than, dầu khí, sinh khối… thành khí tổng hợp (CO, H2) ở nhiệt độ cao với sự kiểm soát lượng oxy hoặc dòng hơi nước. Đây là quá trình xảy ra ở nhiệt độ cao, tiêu tốn nhiều năng lượng. Đốt cháy là một chuỗi phản ứng giữa nhiên liệu và oxy kèm theo quá trình sinh ra năng lượng và làm chuyển hóa các thành phần hóa học. Thông thường, quá trình này được áp dụng đối với nhiên liệu có chứa nhiều hydrocacbon.
Nhiệt phân là bước đầu của quá trình khí hóa được thực hiện trong điều kiện không có oxy, ở nhiệt độ trung bình [2,3] Công nghệ kỹ thuật hóa học 1 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT Quá trình nhiệt phân nhựa bao gồm 2 phương pháp : nhiệt phân không xúc tác và nhiệt phân có xúc tác. Xúc tác đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất và chất lượng dầu khi nhiệt phân. Khi các phân tử khí hydrocacbon có mạch ngắn được refoming làm tăng hiệu suất dầu. Bên cạnh đó xúc tác làm cho sản phẩm dầu nhiên liệu có số hydrocacbon phân bố hẹp, làm tăng chất lượng dầu.
Vì vậy việc nghiên cứu để tìm ra loại xúc tác có hiệu suất cao với quá trình nhiệt phân nhựa là một việc quan trọng và cần thiết. Trên cơ sở nhận thức đó, đồ án tốt nghiệp đại học “ nghiên cứu tổng hợp xúc tác reforming trên cơ sở HZSM-5 ứng dụng trông công nghệ nhiệt phân nhựa” được thực hiện.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài 1. Trong nước Trước những năm 80, ở Việt Nam sử dụng trực tiếp than để đốt cung cấp nhiệt năng cho các quá trình công nghệ sản xuất, những phương pháp này gây ra ô nhiễm môi trường rất lớn. Hiện nay, khí hoá lỏng (LPG), dầu đốt (FO và DO), khí thiên nhiên là các loại nhiên liệu được dùng phổ biến trong các ngành công nghiệp.
Cũng như trên thế giới, theo đánh giá của các chuyên gia thì Việt Nam trong 40 năm nữa nguồn dầu mỏ và khí đốt sẽ cạn kiệt và chúng ta sẽ rơi vào tình trạng thiếu năng lượng. Những năm gần đây, sự biến động của giá dầu mỏ gây ra sự mất ổn định của nền kinh tế. Chính vì thế, bên cạnh việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu mới, việc nghiên cứu tái tạo nhiên liệu từ các phế phẩm là việc làm cần thiết và cấp bách. Quá trình tổng hợp nhiên liệu từ nhựa phế thải còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường khi làm giảm đến 80% lượng khí thải vào môi trường.
Vấn đề này trở nên cấp thiết hơn trong những năm gần đây khi chúng ta đang triển khai chương trình an ninh năng lượng Quốc gia. Các zeolite thuộc họ ZSM tương đối bền nhiệt nên được sử dụng trong nhiều quá trình xúc tác có điều kiện khắc nghiệt, tỉ lệ (SiO2/Al2O3) = 20 - 200, đường kính mao quản từ 0,51 – 0,57 nanomet, cấu trúc khung của ZSM thường có khoảng 10 nguyên tử Al tương ứng với 1000 nguyên tố Si trong mạng.Mặc dù zeolite có khả năng ứng dụng Công nghệ kỹ thuật hóa học 2 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT rất rộng rãi, nhưng ở Việt Nam, việc nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng zeolit Me- ZSM-5 vẫn còn chưa phổ biến [4]. Tóm lại, hiện nay tại Việt Nam chưa có một nghiên cứu nào đưa ra một công nghệ nhiệt phân nhựa phế thải để sản xuất nhiên liệu một cách hoàn thiện. Với nguồn nhựa phế thải từ chất thải rắn tại Việt Nam, cần có những nghiên cứu mang tính khoa học cao, có hiệu quả và có thể ứng dụng vào thực tế.Việc nghiên cứu tổng hợp zeolite Me- ZSM-5 có hoạt tính xúc tác cao ứng dụng tốt trong quá trình nhiệt phân nhựa cần được quan tâm đúng mức.
Ngoài nước Nhựa là tên gọi chung của các polyme như Polyethylen (PE), High Density Polyethylen (HDPE), Polyvinyl Chloride (PVC), Polyethylene Terephthalate (PET), Acrylonitil Butadien-Styren (ABS). Nhựa được sản xuất hàng năm không dưới 260 triệu tấn, chiếm khoảng 4 - 8% tổng số tiêu thụ dầu hỏa trên toàn cầu. Nhựa đang là vấn đề gây tranh cải trong ô nhiễm môi trường, các sản phẩm từ nhựa trong điều kiện tự nhiên phải trải qua hàng trăm năm mới phân hủy hết, trong quá trình phân hủy còn tạo ra các hóa chất độc hại, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con người và động vật. Việc đốt nhựa để tiêu hủy bị tố cáo do thải vào không khí rất nhiều chất nguy hại, trong đó có cả dioxin gây ung thư.
Nhiệt phân nhựa phế thải là một phương pháp đơn giản, hiệu quả để chuyển hóa các chuỗi hydrocarbon trong nhựa phế thải thành nhiên liệu lỏng. Các chuỗi hydrocarbon trong nhựa phế thải bị cracking thành các hydrocarbon ngắn hơn trong quá trình nhiệt phân (không có oxy). Hỗn hợp các sản phẩm cracking sẽ được đưa qua thiết bị ngưng tụ, phần hỗn hợp dầu ngưng tụ tiếp tục đi vào thiết bị chưng cất để cho ra các sản phẩm nhiên liệu mong muốn. Quá trình cracking bao gồm cracking nhiệt và cracking có xúc tác.
Sản phẩm của quá trình cracking nhiệt phụ thuộc vào tính chất của nguồn nguyên liệu, nhiệt độ, áp suất, thời gian lưu. Quá trình cracking có xúc tác xảy ra theo một cơ chế nhất định, dễ điều khiển, do đó sản phẩm của quá trình này có tính chọn lọc cao hơn. Một vài chất xúc tác cho quá trình cracking đã và đang được nghiên cứu như: triclorua nhôm (AlCl3), zeolite (ZSM-5, ZSM-11. Công nghệ kỹ thuật hóa học 3 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT Việc nghiên cứu các loại zeolite ngày càng tăng.
Hiện nay đã có khoảng hơn 15.000 công trình đã công bố và hơn 10.000 phát minh sáng kiến về tổng hợp zeolite cả về cấu trúc và ứng dụng nó. Đặc biệt riêng trong năm 2000 đến nay đã có hơn 1060 loại zeolite tổng hợp mới ra đời. Ngày nay, hầu hết các chất xúc tác cracking dầu mỏ đều chứa hai hợp phần chính là zeolite và chất nền (matrix). Sự nổi trội của zeolite với vai trò là một chất thêm định hướng cho việc tăng chỉ số octan và tăng hiệu suất tạo olefin.
Đặc tính của zeolite là diện tích bề mặt riêng khá lớn, hệ thống mao quản đồng đều, độ axit và độ đồng đều cao, khả năng chọn lọc hình dạng rất tốt. Đây là một trong những vật liệu vô cơ mao quản lý tưởng trong tương lai. Có 2 loại zeolite: zeolite tự nhiên và zeolite tổng hợp. Zeolite tự nhiên thường kém bền và do thành phần hoá học biến đổi đáng kể nên chỉ có một vài loại zeolite tự nhiên có khả năng ứng dụng thực tế như: analcime, chabazite, hurdenite, clinoptilonit.
và chúng chỉ phù hợp với những ứng dụng mà không yêu cầu tinh khiết cao. Zeolite tổng hợp bao gồm zeolite A, zeolite X, zeolite Y, zeolite ZSM-5, ZSM-11. zeolite tổng hợp có thành phần đồng nhất và tinh khiết, đa dạng về chủng loại nên được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp cũng như trong nghiên cứu. Trong các loại zeolite tổng hợp, zeolite được ứng dụng rộng rãi nhất là họ zeolite ZSM-5.
Đây là zeolite có hàm lượng silic cao, được hãng Mobil Oil tổng hợp thành công vào năm 1972 dưới dạng Al-ZSM-5. Đặc điểm của zeolite này là có cấu trúc hình học đặc biệt và có các tâm axit mạnh, thích hợp cho một loạt các quá trình chuyển hóa hydrocacbon trong lọc hóa dầu như: alkyl hóa, cracking, izome hóa, thơm hóa… Đặc biệt, Al-ZSM-5 được sử dụng làm phụ gia với những hàm lượng khác nhau trong thành phần xúc tác FCC nhằm làm tăng chỉ số octan của xăng và làm tăng sản phẩm olefin nhẹ. Tuy nhiên, trong một số phản ứng, hoạt tính xúc tác cũng như độ chọn lọc của Al-ZSM-5 giảm rất nhanh theo thời gian. Để khắc phục nhược điểm này, một loạt các thành viên của họ MFI đã được nghiên cứu tổng hợp bằng cách thay thế đồng hình Si bởi một số nguyên tố khác như Me (Fe, Cu, Pt,.) để tạo thành dạng Me-ZSM-5 và được đưa vào sử dụng thay thế cho Al-ZSM-5.
Các dạng Me-ZSM-5 này rất thích hợp cho các phản ứng nhiệt phân nhựa để sản xuất nhiên liệu [4]. Công nghệ kỹ thuật hóa học 4 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2008 – 2012 Trường ĐHBRVT 1. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trong đề tài này bao gồm: Vật liệu nghiên cứu: Nguyên liệu rác thải nhựa : nhựa cao su Xúc tác dùng để tẩm được sử dụng là xúc tác H-ZSM-5 được cung cấp bởi công ty PINGXIANG XINTAO CHEMICAL PACKING CO.,LTD - Trung Quốc. Các kim loại dùng để tẩm bao gồm : Mo dùng muối [(NH4)6Mo 7O24.4H2O] – Đức, Co dùng muối [Co(NO3)2.6H2O] – Đức, Fe dùng muối [Fe (NO3)3.
Thiết bị: hệ thống thiết bị phản ứng nhiệt phân dạng tầng cố định được thiết kế và lắp đặt tại Trung Tâm Nghiên Cứu Công Nghệ Lọc Hoá Dầu Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh.