Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường do rác thải nhựa là một trong những thách thức nghiêm trọng đối với xã hội hiện đại. Tại Việt Nam cũng như trên quy mô toàn cầu, khối lượng polyme tổng hợp được sản xuất hàng năm ước tính không dưới 260 triệu tấn, chiếm khoảng 4% đến 8% tổng lượng tiêu thụ dầu mỏ thế giới. Các loại nhựa thương phẩm phổ biến như polyetylen (PE, bao gồm LDPE và HDPE), polypropylen (PP), polyvinyl clorua (PVC), polyetylen terephthalat (PET) và acrylonitril butadien styren (ABS) đều có liên kết mạch cacbon bền vững, đòi hỏi hàng trăm năm để phân hủy hoàn toàn trong điều kiện tự nhiên. Các phương pháp xử lý truyền thống bộc lộ nhiều nhược điểm lớn: chôn lấp làm lãng phí nguồn tài nguyên polyme giàu năng lượng và chiếm dụng quỹ đất; trong khi thiêu đốt giải phóng khí thải nguy hại như hydro clorua (từ PVC) và các hợp chất độc hại như dioxin gây ung thư.

Trong bối cảnh nguồn tài nguyên năng lượng hóa thạch trong nước được dự báo sẽ suy kiệt trong vòng khoảng 40 năm nếu duy trì tốc độ khai thác hiện hành, công nghệ nhiệt phân (pyrolysis) chuyển hóa chất thải nhựa thành dầu nhiên liệu được xác định là giải pháp kỹ thuật có tiềm năng kinh tế và bảo vệ môi trường cao. Tuy nhiên, công nghệ nhiệt phân nhiệt thuần túy (không xúc tác) thường tạo ra sản phẩm lỏng có phổ phân bố hydrocacbon rất rộng, chứa hàm lượng olefin và paraffin chưa bão hòa cao, kém ổn định hóa học và hiệu suất thu hồi khí không ngưng còn lớn. Nhằm nâng cao chất lượng nhiên liệu lỏng và định hướng cơ cấu sản phẩm, việc ứng dụng xúc tác reforming dạng Me/ZSM-5 để xử lý dòng khí nhiệt phân ở pha hơi là hướng đi kỹ thuật then chốt.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm 3 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu hiệu ứng của ba loại xúc tác kim loại chuyển tiếp (Mo/H-ZSM-5, Co/H-ZSM-5, Fe/H-ZSM-5) đối với quá trình nhiệt phân nhựa.
  2. Xây dựng cơ sở lý luận phục vụ việc tối ưu hóa hệ xúc tác cho công nghệ nhiệt phân chất thải nhựa.
  3. Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm đánh giá chất lượng sản phẩm dầu nhiên liệu thu được từ quá trình nhiệt phân có xúc tác.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 3 nội dung cụ thể:

  • Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan cơ chế nhiệt phân nhựa không xúc tác và có xúc tác; tổng quan về hệ xúc tác reforming trên nền HZSM-5.
  • Nội dung 2: Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp xúc tác reforming Mo/H-ZSM-5, Co/H-ZSM-5 và Fe/H-ZSM-5 bằng phương pháp tẩm với hàm lượng kim loại 5% khối lượng.
  • Nội dung 3: Nghiên cứu thực nghiệm khảo sát hiệu suất hình thành nhiên liệu của quá trình nhiệt phân nhựa trên hệ thống pilot dạng tầng cố định đối với từng loại xúc tác (HZSM-5, Mo/H-ZSM-5, Co/H-ZSM-5, Fe/H-ZSM-5) và đánh giá chất lượng dầu qua nhiệt trị.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng vật liệu: Nhựa cao su phế thải từ nhà máy đệm Kim Đan; chất mang zeolite H-ZSM-5 (tỷ lệ mol SiO2/Al2O3 từ 27 đến 35, diện tích bề mặt riêng ban đầu 289 m²/g, do công ty Pingxiang Xintao Chemical Packing - Trung Quốc cung cấp); các tiền chất kim loại gồm amoni heptamolybdat [(NH4)6Mo7O24.4H2O], coban nitrat [Co(NO3)2.6H2O] và sắt(III) nitrat [Fe(NO3)3.9H2O] (Merck, Đức).
  • Đối tượng thiết bị: Hệ thống thiết bị phản ứng nhiệt phân dạng tầng cố định quy mô pilot và hệ thống thiết bị chưng cất phân đoạn tại Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc hóa dầu (RPTC), Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi công nghệ: Phản ứng nhiệt phân diễn ra trong môi trường khí quyển trơ N2, nhiệt độ phản ứng 600 °C, khảo sát ở chế độ không xúc tác và có xúc tác reforming pha khí; sản phẩm lỏng được phân tích tỷ trọng, nhiệt trị và dải nhiệt độ sôi thực (TBP) đến 350 °C.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án tập trung vào hai mảng kiến thức: cơ chế nhiệt phân chất dẻo và hóa học xúc tác zeolite cấu trúc pentasil. Về mặt động học hóa học, nhiệt phân là quá trình phân hủy nhiệt vật liệu hữu cơ trong môi trường không có oxy. Quá trình phân hủy gồm hai giai đoạn liên tiếp:

  • Nhiệt phân sơ cấp: Xảy ra trong pha rắn/lỏng theo cơ chế gốc tự do (free-radical mechanism). Dưới tác dụng của nhiệt độ, các liên kết C–C và C–H bị bẻ gãy đồng phân tạo các gốc tự do $R^\bullet$, $Ar^\bullet$. Các gốc này kết hợp với hydro tạo ra pha trung gian gọi là metaplast. Khi phân tử lượng của metaplast giảm đến mức nhất định, chúng bay hơi vào pha khí tạo thành tiền thân của dầu nhiệt phân, trong khi các metaplast phân tử lượng lớn còn lại trong pha ngưng tụ sẽ chuyển hóa thành than cốc (char). Đồng thời, phản ứng decarboxyl hóa ($R\text{COOH} \rightarrow RH + \text{CO}_2$) và phân cắt mạch giải phóng các khí nhẹ như CO, CO2, CH4, H2.
  • Nhiệt phân thứ cấp: Xảy ra trong pha hơi ở nhiệt độ cao. Các phân tử hydrocacbon mạch thẳng và olefin dễ bay hơi tiếp tục bị bẻ gãy (cracking thứ cấp) hoặc tham gia các phản ứng aromat hóa, oligome hóa khi tiếp xúc với tâm xúc tác reforming.

Về vật liệu xúc tác, zeolite H-ZSM-5 thuộc họ pentasil (mã cấu trúc MFI) có mạng tinh thể trực thoi (orthorhombic) được tạo thành bởi các đơn vị cấu trúc thứ cấp (SBU) vòng 5-1 gồm các tứ diện TO4 (T = Si, Al). Mạng lưới mao quản của ZSM-5 gồm hai hệ kênh 10 cạnh giao nhau: một hệ kênh thẳng hình elip kích thước 5,1 x 5,7 Å (hoặc 5,1 x 5,5 Å) chạy song song với trục b, và một hệ kênh ziczac hình tròn kích thước 5,4 x 5,6 Å chạy song song với trục a. Vị trí giao nhau tạo ra các hốc rỗng có đường kính khoảng 9 Å. ZSM-5 có hai dạng tâm axit: tâm axit Brønsted (nhóm Si–OH–Al có khả năng cho proton H+) và tâm axit Lewis (tạo thành từ các nguyên tử Al lệch mạng hoặc sau xử lý nhiệt tách nước, có khả năng nhận cặp electron). Đặc tính chọn lọc hình học (shape selectivity) của ZSM-5 giới hạn kích thước phân tử khuếch tán vào/ra khỏi mao quản, tạo ưu thế cho quá trình izome hóa và aromat hóa phân tử nhỏ, hạn chế phản ứng ngưng tụ tạo cốc cồng kềnh.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được áp dụng:

  • Phương pháp tổng hợp xúc tác: Sử dụng kỹ thuật tẩm ướt (incipient wetness / wet impregnation) muối kim loại lên chất mang zeolite H-ZSM-5. Các tiền chất muối Mo, Co, Fe được hòa tan trong nước cất ở 30–50 °C, phối trộn với bột H-ZSM-5 đã được tiền nung đuổi ẩm ở 120–150 °C trong 30 phút, khuấy đều 1–2 giờ đến trạng thái sệt đồng nhất, sấy khô ở 100 °C trong 1–2 giờ và nung hoạt hóa tại 500 °C trong 5 giờ nhằm chuyển vị muối kim loại thành dạng oxit hoạt tính phân tán trong mao quản.
  • Phương pháp phân tích hóa lý: Đo diện tích bề mặt riêng và đường kính mao quản của mẫu xúc tác bằng phương pháp hấp phụ - giải hấp đẳng nhiệt N2 (phương pháp BET) trên thiết bị phân tích tự động NOVA 2200 tại RPTC. Mẫu được giải hấp khí làm sạch ở 250 °C trong 2 giờ trước khi đo ở áp suất tương đối $P/P_0$ từ 0,05 đến 0,3.
  • Phương pháp nhiệt phân và chưng cất phân đoạn: Quá trình cracking và reforming diễn ra trên hệ thống thiết bị pilot tầng cố định. Khí trơ N2 sục liên tục từ đáy lò để đuổi hoàn toàn oxy và vận chuyển dòng khí sản phẩm nhiệt phân ở 600 °C đi qua tầng xúc tác reforming. Hỗn hợp hơi sau phản ứng được ngưng tụ gián tiếp qua thiết bị sinh hàn trao đổi nhiệt bằng nước và hệ thống tháp tách nước; khí không ngưng tiếp tục đi qua tháp hấp thụ rửa bằng dung dịch kiềm NaOH để loại bỏ khí axit (SO2, Cl2) trước khi đưa ra họng đốt. Sản phẩm dầu thô ngưng tụ được chưng cất phân đoạn theo tiêu chuẩn dải nhiệt độ sôi thực (TBP) đến 350 °C để phân tách dầu nhẹ và dầu nặng.
  • Phương pháp đánh giá nhiệt trị: Xác định nhiệt trị cao (HHV) và nhiệt trị thấp (LHV) của dầu lỏng theo phương pháp bom nhiệt lượng kế ở điều kiện tiêu chuẩn (1 atm, 20 °C).

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm số liệu thực nghiệm đo đạc trực tiếp trên hệ thống pilot tại Trung tâm RPTC (Trường Đại học Bách khoa TP. Hồ Chí Minh) và các dữ liệu so sánh từ các công trình nghiên cứu quốc tế đã công bố về zeolite ZSM-5 và nhiệt phân nhựa (như nghiên cứu của Themba Emmanuel Tshabalala và cộng sự).

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Mở đầu

Chương này thiết lập cơ sở khoa học và tính cấp bách của đề tài. Tác giả phân tích hiện trạng tiêu thụ và cạn kiệt tài nguyên dầu mỏ của Việt Nam, đặt trong mối tương quan với lượng rác thải nhựa ngày càng gia tăng. Phương pháp nhiệt phân được chứng minh là công nghệ phù hợp hơn so với chôn lấp và đốt trực tiếp. Tác giả tổng thuật các nghiên cứu trong nước (như thử nghiệm nhiệt phân năm 2011 tại Trung tâm RPTC) và nghiên cứu quốc tế về quá trình cracking xúc tác trên zeolite. Chương I xác định rõ ràng đối tượng nghiên cứu, mục tiêu đề tài, phạm vi thực hiện và 3 nội dung nghiên cứu thực nghiệm tương ứng, đồng thời nêu bật ý nghĩa khoa học trong việc bổ sung dữ liệu chuyển hóa pha khí và ý nghĩa thực tiễn đối với an ninh năng lượng và môi trường.

Chương II: Tổng quan lý thuyết

Nội dung chương II cung cấp cơ sở lý thuyết toàn diện về hai trụ cột:

  1. Tổng quan về nhiệt phân nhựa: Trình bày tính chất hóa lý của các loại nhựa phổ biến (PE, PP, PVC, PC, PET) và cơ chế phân hủy nhiệt sơ cấp/thứ cấp. Chương này hệ thống hóa các yếu tố công nghệ quyết định hiệu suất nhiệt phân: nhiệt độ phản ứng (nhiệt độ tăng làm tăng sản phẩm khí; ví dụ ở 650 °C lượng khí tăng 1,61 lần so với ở 450 °C theo nghiên cứu của Hale Sutcu), tốc độ gia nhiệt (gia nhiệt nhanh thúc đẩy nứt mạch sơ cấp và thoát hơi nhanh), thời gian lưu, tốc độ sục dòng khí mang N2, và đặc tính của ba dạng lò phản ứng tiêu biểu (tầng lưu động, trục vít xoắn screw, dạng ống).
Kỹ thuật nhiệt phân Tốc độ gia nhiệt Nhiệt độ (°C) Thời gian lưu Sản phẩm chính
Cốc hóa chậm (Carbonation) Rất chậm 400 Vài ngày Than (char)
Chuyển hóa chậm (Conventional) Chậm 600 5–30 phút Dầu nhiệt phân, khí, than
Chuyển hóa rất nhanh (Flash) Rất nhanh 650 1–5 giây Dầu nhiệt phân
  1. Tổng quan về xúc tác Zeolite: Khái quát công thức tinh thể học $M_{2/n}O \cdot Al_2O_3 \cdot xSiO_2 \cdot yH_2O$, cấu trúc tinh thể MFI, các loại mao quản một chiều, hai chiều và ba chiều hình thành từ các tứ diện $TO_4$. Phân tích chi tiết đặc tính của H-ZSM-5 bao gồm nguồn gốc các tâm axit Brønsted và Lewis, độ bền nhiệt, và cơ chế chọn lọc hình dạng (chọn lọc chất phản ứng, chọn lọc trạng thái chuyển tiếp và chọn lọc sản phẩm tạo thành). Tác giả cũng dẫn chứng kết quả nghiên cứu của Tshabalala về ảnh hưởng của nồng độ kim loại Ga (từ 0,5% đến 5%) và so sánh hiệu suất chuyển hóa hydrocacbon thơm từ n-hexan ở 500 °C trên các hệ kim loại: Zn/ZSM-5 (88,3%), Ga/ZSM-5 (87,4%) và Mo/ZSM-5 (61,2%).

Chương III: Nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp xúc tác

Chương III mô tả chi tiết quy trình chế tạo xúc tác reforming pha khí gồm chất mang H-ZSM-5 tẩm 5% khối lượng kim loại Mo, Co, Fe. Khối lượng muối cần dùng để điều chế 50 gam mỗi loại xúc tác được tính toán dựa trên định luật bảo toàn nguyên tố:

$$% m_M = a \cdot m_{XT}$$

$$% b = \frac{M_M}{M_{Muoi}} \cdot 100%$$

$$m_{Muoi} = \frac{m_M}{b}$$

Tên xúc tác điều chế Khối lượng muối heptamolybdat ngậm nước (g) Khối lượng muối coban nitrat ngậm nước (g) Khối lượng muối sắt(III) nitrat ngậm nước (g) Khối lượng chất mang H-ZSM-5 (g) Khối lượng xúc tác lý thuyết thu được (g)
Mo/ZSM-5 4,596 — — 47,5 50,0
Co/ZSM-5 — 12,330 — 47,5 50,0
Fe/ZSM-5 — — 34,653 47,5 50,0

Quy trình thao tác gồm các bước: sấy/nung sơ bộ H-ZSM-5 tại 120–150 °C trong 30 phút; hòa tan muối vào nước cất và khuấy ở 30–50 °C trong 20 phút; phối trộn tẩm xúc tác ở 30–50 °C trong 1–2 giờ; sấy loại dung môi tại 100 °C trong 1–2 giờ; và nung oxit hóa trong lò nung ở 500 °C trong 5 giờ. Thiết bị và phương trình đẳng nhiệt hấp phụ đa lớp BET cùng quy trình khử khí trên máy NOVA 2200 cũng được chuẩn hóa trong chương này.

Chương IV: Nghiên cứu thực nghiệm khảo sát hiệu suất hình thành nhiên liệu của quá trình nhiệt phân nhựa trên các chất xúc tác

Chương này trình bày toàn bộ phương pháp bố trí thí nghiệm trên hệ thống pilot tầng cố định. Nguyên liệu đầu vào là mút cao su phế phẩm từ quy trình sản xuất đệm của công ty Kim Đan. Tác giả ghi nhận chi tiết thành phần phối liệu sản xuất đệm làm cơ sở đánh giá bản chất nguyên liệu nhiệt phân:

STT Nguyên liệu và hóa chất phụ gia Khối lượng phối liệu (kg) Tỷ lệ thành phần (%)
1 Cao su thiên nhiên 7,900 62,96
2 Oxit kẽm (ZnO) 0,800 6,38
3 Acid stearic dạng hạt 0,160 1,28
4 Chất chống oxy hóa PBN 0,080 0,64
5 Chất xúc tiến M (Accelerator M) 0,080 0,64
6 Chất xúc tiến D (Accelerator D) 0,056 0,45
7 Phụ gia màu đỏ B 0,032 0,25
8 Bột đá vôi ($CaCO_3$) 2,000 15,94
9 Bột đất trắng 1,200 9,56
10 Hỗn hợp chủ 100-S 0,240 1,91
Tổng cộng Toàn bộ mẻ phối liệu 12,548 100,00

Chương IV thiết lập điều kiện thí nghiệm cơ sở: nhiệt độ nhiệt phân 600 °C, lưu lượng khí mang trơ N2 được điều tiết để duy trì áp suất và đuổi khí hóa lỏng qua tháp ngưng. Dòng khí sau phản ứng được sục qua dung dịch NaOH để khử sạch $SO_2$ (sinh ra từ lưu hóa cao su) và $Cl_2$. Phương pháp đo nhiệt lượng của dầu lỏng bằng bom nhiệt lượng kế ở 1 atm và 20 °C cùng quy trình chưng cất phân đoạn dầu nhẹ dưới 350 °C được thiết kế đồng bộ.

Chương V: Kết quả và bàn luận

Theo đề cương và danh mục bảng/hình của khóa luận, chương V tập trung thảo luận các nhóm dữ liệu thực nghiệm:

  • Đánh giá quy trình tổng hợp xúc tác: Phân tích khối lượng xúc tác thu được sau nung, diện tích bề mặt riêng BET và phân bố đường kính mao quản của H-ZSM-5 so với các mẫu đã tẩm kim loại (Mo/ZSM-5, Co/ZSM-5, Fe/ZSM-5), đối chiếu với công bố của Tshabalala về xúc tác Mo/ZSM-5.
  • Hiệu suất tạo dầu và tỷ trọng sản phẩm lỏng: So sánh thể tích, khối lượng, tỷ trọng và hiệu suất thu hồi dầu/nguyên liệu giữa chế độ không xúc tác và các chế độ có xúc tác H-ZSM-5, Mo/ZSM-5, Co/ZSM-5, Fe/ZSM-5 ở 600 °C.
  • Phân đoạn chưng cất TBP: Đánh giá điểm sôi đầu, tỷ trọng và hiệu suất phân đoạn dầu nhẹ (sôi dưới 350 °C) so với phân đoạn dầu nặng cặn tháp.
  • Nhiệt trị nhiên liệu: Đánh giá trị số nhiệt trị đo ở 1 atm, 20 °C của các mẫu dầu nhiệt phân so với các loại nhiên liệu thương phẩm tiêu chuẩn (DO, FO, xăng).
  • Cơ chế xúc tác reforming: Phân tích đường hướng phản ứng của các oxit kim loại Me phân tán trên H-ZSM-5 trong việc chuyển hóa olefin mạch hở thành hydrocacbon no và hydrocacbon thơm, giải thích sự biến đổi tỷ lệ thành phần các pha khí và pha lỏng.

Chương VI: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ các phát hiện kỹ thuật về khả năng tổng hợp xúc tác Me/H-ZSM-5, mức độ cải thiện hiệu suất tạo dầu nhẹ và nâng cao chất lượng nhiên liệu từ phế thải cao su Kim Đan; đồng thời đề xuất các kiến nghị về nghiên cứu độ bền xúc tác, khả năng tái sinh và tối ưu hóa thông số công nghệ trên quy mô lớn hơn.

Kết quả và đóng góp

Về mặt thực nghiệm tổng hợp vật liệu:

  • Đồ án đã chuẩn hóa quy trình điều chế xúc tác reforming Me/H-ZSM-5 (với Me là Mo, Co, Fe) bằng phương pháp tẩm ướt từ các muối tiền chất vô cơ, xác lập chính xác thông số nung hoạt hóa ở 500 °C trong 5 giờ để chuyển hóa muối thành oxit kim loại mà vẫn bảo tồn khung mạng cấu trúc rây phân tử pentasil.
  • Hoàn thiện bảng tính khối lượng tiền chất cho mẻ điều chế 50 gam với nồng độ kim loại chính xác 5% khối lượng, sử dụng chất mang H-ZSM-5 thương mại có diện tích bề mặt riêng $289\text{ m}^2/\text{g}$ và tỷ số mol $SiO_2/Al_2O_3$ trong khoảng 27–35.

Về mặt công nghệ nhiệt phân và chất lượng sản phẩm:

  • Thiết lập quy trình vận hành hệ thống pilot nhiệt phân tầng cố định kết hợp reforming pha khí ở 600 °C trong môi trường khí quyển N2, tích hợp hệ thống xử lý khí độc hại ($SO_2$) bằng tháp hấp thụ dung dịch kiềm NaOH.
  • Chứng minh khả năng ứng dụng của hệ xúc tác biến tính kim loại Me/ZSM-5 trong việc tái cấu trúc dòng sản phẩm nhiệt phân từ chất thải cao su đệm Kim Đan (nguyên liệu chứa 62,96% cao su và lượng lớn chất độn vô cơ như $CaCO_3$ 15,94%, đất trắng 9,56%, ZnO 6,38%). Xúc tác có vai trò chuyển hóa hàm lượng lớn olefin không bền vững trong pha hơi thành các hợp chất hydrocacbon no và hydrocacbon thơm, giúp thu hẹp dải phân bố phân tử, tăng tỷ lệ thu hồi phân đoạn dầu nhẹ chưng cất dưới 350 °C và nâng cao độ ổn định nhiệt trị của nhiên liệu.

Đóng góp của tác giả:

  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm có tính hệ thống về việc so sánh hiệu ứng xúc tác giữa H-ZSM-5 nguyên bản và ba hệ xúc tác kim loại chuyển tiếp Mo/ZSM-5, Co/ZSM-5, Fe/ZSM-5 trên cùng một nguồn nguyên liệu cao su thải thực tế.
  • Đóng góp luận cứ khoa học cho định hướng tái chế rác thải cao su và polyme phế thải tại Việt Nam theo công nghệ nhiệt phân xúc tác reforming hai giai đoạn (nhiệt phân pha ngưng tụ kết hợp chuyển hóa pha hơi).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

  • Nghiên cứu thực nghiệm chỉ khảo sát cố định một mức tải lượng kim loại là 5% khối lượng trên chất mang ZSM-5 đối với cả ba kim loại Mo, Co, Fe; chưa tiến hành khảo sát dải nồng độ kim loại biến thiên (ví dụ 1%, 2%, 3%, 4%) để tìm điểm nồng độ tối ưu cho từng kim loại riêng biệt.
  • Quá trình phản ứng được thực hiện gián đoạn trên hệ thống pilot tầng cố định ở một mức nhiệt độ duy nhất (600 °C), chưa khảo sát động học phân hủy ở các dải nhiệt độ khác nhau (như 450 °C, 500 °C, 550 °C) cũng như các biến thiên về tốc độ dòng khí trơ mang N2.
  • Nguyên liệu nghiên cứu thực nghiệm tập trung vào phế phẩm cao su đệm Kim Đan với đặc thù chứa hàm lượng chất độn vô cơ rất cao (khoảng 37% khối lượng gồm $CaCO_3$, bột đất trắng, ZnO và phụ gia lưu hóa), chưa mở rộng khảo sát so sánh trực tiếp trên các nguồn nhựa nhiệt dẻo phổ biến trong rác thải đô thị như PE, PP, PS.

Hướng nghiên cứu tiếp được đề xuất:

  • Mở rộng nghiên cứu ảnh hưởng của dải nồng độ kim loại tẩm (từ 0,5% đến 5%) và thử nghiệm kết hợp các hệ xúc tác lưỡng kim loại (bimetallic) nhằm tối ưu hóa tính axit và khả năng aromat hóa.
  • Khảo sát độ bền làm việc, tốc độ ngộ độc xúc tác do lắng đọng cốc và lưu huỳnh, cùng các phương pháp hoàn nguyên/tái sinh xúc tác Me/H-ZSM-5 sau nhiều chu kỳ phản ứng.
  • Thử nghiệm công nghệ trên các nguồn nhựa phế thải sạch khác (HDPE, LDPE, PP) cũng như các phụ phẩm sinh khối (biomass) giàu tiềm năng năng lượng tại Việt Nam như trấu, mùn cưa, lõi ngô và hạt cao su.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ kỹ thuật thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Hóa dầu, Công nghệ Vật liệu và Kỹ thuật Môi trường.

Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

  • Quy trình tính toán phối liệu hóa chất và các bước nhiệt xử lý (sấy, nung hoạt hóa) trong kỹ thuật điều chế xúc tác oxit kim loại trên chất mang zeolite ZSM-5.
  • Cấu tạo và sơ đồ vận hành của hệ thống pilot nhiệt phân tầng cố định có kiểm soát môi trường khí trơ N2 và hệ thống bẫy ngưng tụ - tháp tách lỏng/khí - tháp hấp thụ khí axit bằng dung dịch kiềm.
  • Phương pháp luận phân tích và đánh giá chất lượng dầu nhiệt phân thông qua chưng cất đường cong điểm sôi thực (TBP) đến 350 °C và phép đo nhiệt trị tiêu chuẩn.

Câu hỏi thường gặp

1. Chất mang H-ZSM-5 được sử dụng trong đồ án có các thông số kỹ thuật đặc trưng nào? Chất mang H-ZSM-5 do công ty Pingxiang Xintao Chemical Packing Co., Ltd (Trung Quốc) cung cấp, có tỷ lệ mol $SiO_2/Al_2O_3$ trong khoảng 27 đến 35, diện tích bề mặt riêng ban đầu đo bằng phương pháp BET là $289\text{ m}^2/\text{g}$, thuộc họ tinh thể trực thoi với hệ thống mao quản 10 cạnh cắt nhau có kích thước khoảng 5,1 x 5,7 Å và 5,4 x 5,6 Å.

2. Để điều chế 50 gam mỗi loại xúc tác Mo/ZSM-5, Co/ZSM-5 và Fe/ZSM-5 chứa 5% khối lượng kim loại, tác giả sử dụng lượng hóa chất cụ thể là bao nhiêu? Theo tính toán phối liệu trong đồ án, mỗi mẫu đều sử dụng 47,5 g chất mang H-ZSM-5. Lượng muối kim loại tương ứng cần dùng là:

  • Mẫu Mo/ZSM-5: 4,596 g amoni heptamolybdat ngậm nước $[(NH_4)6Mo_7O{24}\cdot 4H_2O]$.
  • Mẫu Co/ZSM-5: 12,330 g coban nitrat ngậm nước $[Co(NO_3)_2\cdot 6H_2O]$.
  • Mẫu Fe/ZSM-5: 34,653 g sắt(III) nitrat ngậm nước $[Fe(NO_3)_3\cdot 9H_2O]$.

3. Chế độ nhiệt trong quy trình tổng hợp xúc tác bằng phương pháp tẩm được thực hiện như thế nào? Quy trình nhiệt xử lý gồm 4 giai đoạn rõ ràng:

  • Tiền nung chất mang H-ZSM-5 ở 120–150 °C trong 30 phút để đuổi khí và hơi ẩm trong mao quản.
  • Khuấy trộn tẩm dung dịch muối kim loại ở 30–50 °C trong 1–2 giờ đến khi hỗn hợp sệt đồng nhất.
  • Sấy đuổi nước hoàn toàn ở 100 °C trong 1–2 giờ.
  • Nung chuyển hóa muối kim loại thành oxit kim loại ở 500 °C trong thời gian 5 giờ.

4. Nguyên liệu cao su phế thải từ nhà máy đệm Kim Đan có thành phần phối liệu như thế nào? Nguyên liệu phế thải có thành phần gồm 10 hợp phần với tổng khối lượng mẻ phối liệu cơ sở là 12,548 kg, trong đó cao su thiên nhiên chiếm 7,900 kg (62,96%). Phần còn lại là các chất độn và phụ gia lưu hóa gồm: bột đá vôi $CaCO_3$ (2,000 kg), bột đất trắng (1,200 kg), oxit kẽm ZnO (0,800 kg), hỗn hợp chủ 100-S (0,240 kg), acid stearic (0,160 kg), chất chống oxy hóa PBN (0,080 kg), chất xúc tiến M (0,080 kg), chất xúc tiến D (0,056 kg) và màu đỏ B (0,032 kg).

5. Khí sinh ra từ lò nhiệt phân được xử lý qua những công đoạn nào trước khi xả ra môi trường? Dòng khí nhiệt phân rời khỏi đỉnh lò ở 600 °C lần lượt đi qua thiết bị xúc tác reforming, qua thiết bị trao đổi nhiệt làm lạnh bằng nước để ngưng tụ một phần hơi hydrocacbon, rồi đi vào tháp tách lỏng/khí chứa nước. Dòng khí không ngưng ở đỉnh tháp tách tiếp tục được quạt hút đẩy qua tháp hấp thụ rửa bằng dòng dung dịch NaOH tưới từ trên xuống để hấp thụ sạch các khí axit độc hại ($SO_2$ và $Cl_2$) trước khi đưa dòng hydrocacbon nhẹ ra buồng đốt xử lý.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Lê Ngọc Tình đã hoàn thành việc nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp ba hệ xúc tác reforming kim loại chuyển tiếp Mo/H-ZSM-5, Co/H-ZSM-5 và Fe/H-ZSM-5 (tải lượng 5% kim loại) trên cơ sở chất mang zeolite pentasil thương phẩm. Công trình đã thiết lập thành công quy trình công nghệ nhiệt phân mút cao su phế thải đệm Kim Đan trên hệ thống pilot tầng cố định ở 600 °C kết hợp xúc tác reforming pha khí, cho phép thu hồi phân đoạn dầu nhiên liệu lỏng và làm sạch dòng khí thải bằng tháp hấp thụ kiềm. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm giá trị cho việc phát triển các giải pháp kỹ thuật tái chế polyme phế thải thành nguồn năng lượng thay thế tại Việt Nam.