Thạc Sĩ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ ô-xy hóa trong muối nóng chảy để xử lý chất thải plastic dạng PVC

6



Mục lục
Bảng từ viết tắt 2
Tóm tắt 3
Abstract 4
Phần a: mở đầu 7
I/ Tổng quan và cơ sở lý thuyết
I.1/ thực trạng chất thải nguy hại và các giải 7
pháp Xử lý ở việt nam
I.2/ Công nghệ MSO và các -u điểm 8
I.3/ Các nghiên cứu ứng dụng công nghệ 11
Mso trên thế giới để xử lý chất thải nguy hại
I.4/ Cơ sở khoa học của các yếu tố ảnh h-ởng 12
đến hiệu quả phản ứng trong quá trình mso
i.5/ các kết quả thực nghiệm ở n-ớc ngoài và 15
và các giả thuyết phân tích quá trình mso
I.5.1/ Kết quả thử nghiệm của phòng thí nghiệm Đại học 15
Maryland, Mỹ
I.5.2/ Kết quả thử nghiệm của phòng thí nghiệm MSO ở 16
KAERI, Hàn Quốc.
I.5.3/ Kết quả thử nghiệm của phòng thí nghiệm LLNL, Mỹ 16
I.6/ mục tiêu của xử lý thử nghiệm pvc trên 17
Hệ thống mso
Ii/ mục tiêu và nội dung của đề tài 18
Phần b : kết quả nghiên cứu 20
i. xây dựng, hoàn thiện hệ thống thử nghiệm 20
mso với công suất 0,3- 0,5kg/giờ.
I.1/ đặt vấn đề 20
I.2/ mô tả hệ thống thử nghiệm mso 21
công suất 0,3- 0,5kg/giờ.
I.2.1/ Lò phản ứng 21
I.2.2/ Lò nhiệt 21
I.2.3/ Hệ nạp liệu và cấp oxy/không khí 22
I.2.4/ Hệ kiểm soát nhiệt độ 23
I.2.5/ Hệ xử lý khí thải 25
I.2.6/ Bộ hỗ trợ tháo muối. 25
I.3/ phân tích các phần đ-ợc sửa đổi và thay thế 25
I.3.1 Bổ sung Bộ hỗ trợ tháo muối 26 7
I.3.2/ Điều chỉnh vùng nhiệt và bổ sung Hệ điều khiển nhiệt độ 27
I.3.3/ Điều chỉnh Hệ nạp thải và cấp oxy/không khí 27
I.4/ Đánh giá hệ thống thử nghiệm MSO 28
công suất 0,3- 0,5kg/giờ.
I.5/ Kết luận 29
Ii/ đánh giá hiệu quả xử lý và xây dựng qui trình 29
vận hành hệ thống thử nghiệm mso công suất
0,3-0,5kg/giờ
II.1/ Đặt vấn đề 29
II.2/ thiết lập qui trình thử nghiệm 28
thải pvc để đánh giá hiệu quả xử lý.
II.2.1/ Yếu tố nhiệt độ 29
II.2.2/Yếu tố chiều cao cột chất lỏng- muối nóng chảy 30
II.2.3/ Yếu tố vận tốc bề mạt khí 30
II.2.4/ Yếu tố l-ợng oxy cấp vào 30
II.3/ Quá trình thử nghiệm và đánh giá hiệu quả 31
xử lý.
II.3.1/ Thử nghiệm xử lý PVC trong môi tr-ờng 31
muối đơn nóng chảy.
II.3.1.1/ Xác định đặc tr-ng của chất thải 31
II.3.1.2/ Qui trình thử nghiệm và ph-ơng pháp đo 32
II.3.1.3/ Kết quả và bình luận 35
II.3.2/ Thử nghiệm xử lý PVC trong môi tr-ờng 41
hỗn hợp muối nóng chảy.
II.3.2.1/ Qui trình thử nghiệm và ph-ơng pháp đo 41
II.3.2.2/ Kết quả và bình luận. 43
II.3.3 So sánh hiệu quả phân hủy clo tại hai môi tr-ờng 43
muối đơn và hỗn hợp muối nóng chảy.
II.4/ QUI trình vận hành hệ thống thử nghiệm mso 44
II.5/ kết luận 45
Iii/ đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ Mso 46
để xử lý thải hữu cơ chứa Clo ở qui mô bán
công nghiệp.
Phần c: kết luận và kiến nghị 49
Tài liệu tham khảo 51
Phụ lục 52-64




8




Phần a: mở đầu

I/ tổng quan và cơ sở lý thuyết

I.1/ thực trạng chát thảI nghuy hại và các giải pháp xử lý ở
việt nam.

[1] Một điều tất yếu sẽ xảy ra cùng với sự phát triển công nghiệp và mở rộng
các hoạt động kinh tế trong từng quốc gia đó là l-ợng chất thải ngày càng gia tăng và
điều này dẫn đến sự gia tăng về khả năng gây ô nhiễm cao cho môi tr-ờng. Các chất
thải có tiềm năng gây ô nhiễm cao cho môi tr-ờng chủ yếu từ các chất thải nguy hại là
sản phẩm của các quá trình chế biến hóa chất, hoạt động y tế, công nghiệp, nông
nghiệp, các nhà máy năng l-ợng và các nguồn thải rác đô thị.

Các kết quả khảo sát và thống kê thực trạng sự phát sinh các chất thải nguy hại
ở Việt Nam cũng chỉ ra đây là nguồn ô nhiễm nghiêm trọng và ngày càng lớn. Theo dự
báo đến năm 2010 với sự tăng mạnh dân số trong các đô thị và với sự phát triển thêm
nhiều ngành công nghiệp cũng nh- các cơ sở y tế tiếp tục đ-ợc hiện đại hóa, l-ợng chất
thải nguy hại sẽ tăng gấp 3 lần. Nguồn phát sinh chất thải nguy hại lớn nhất là các cơ
sở công nghiệp (với 130.000tấn/năm theo thống kê năm 2004) và các bệnhviện (với
21.000tấn/năm theo thống kê năm 2004). Ngoài ra nông nghiệp cũng là nguồn phát
sinh chất thải nguy hại. Trung bình hàng năm n-ớc ta chi khoảng 100 triệu US$ để
nhập khẩu một l-ợng thuốc bảo vệ thực vật khoảng 6500 - 9000 tấn d-ới dạng thành
phẩm hoặc nguyên liệu. Con số trên ch-a tính đến còn có một l-ợng rất lớn các loại
thuốc bảo vệ thực vật nhập lậu trái phép qua biên giới Việt Trung. Theo thống kê sơ bộ
trong năm 2001 n-ớc ta có khoảng 26 kho thuốc bảo vệ thực vật tồn đọng quá hạn sử
dụng và l-ợng thuốc bảo vệ thực vật cần tiêu hủy trong phạm vi toàn quốclà 200 tấn
đặc biệt trong đó có khoảng 10 tấn DDT.

Các chất thải nguy hại đáng quan tâm nhất là các chất thải hữu cơ chứa clo, các
chất thải chứa kim loại nặng, các chất thải phóng xạ và pha trộn, các hoá chất độc và
đặc biệt là các chất PCBs và POP. L-ợng các chất thải kể trên chiếm một tỉ lệ khá cao.
Ví dụ l-ợng chất thải PVC, PP, PTEF v.v. trong y tế chiếm 10,1%; trên toàn quốc hiện
có 9 điểm chứa các hoá chất độc; l-ợng dầu có chứa PCBs trong công nghiệp điện -ớc
tính có thể lên đến 4.000-5.000 tấn. Tuy nhiên hầu hết các loại chất thải nguy hại cho
đến nay vẫn ch-a đ-ợc xử lý triệt để. Một nhận định rằng Việt Nam hiện đang thiếu
công nghệ xử lý các chất độc hại cũng nh- các công nghệ thích hợp cho từng loại thải.
9
Các giải pháp xử lý chất thải rắn nói chung kể cả chất thải nguy hại ở Việt Nam
chủ yếu là chôn lấp (50%) sau đó là giải pháp đốt (25%). Các giải pháp đốt đ-ợc sử
dụng trong y tế nhiều nhất. Hiện tổng số lò đốt sử dụng trong y tế là 51 trong đó có 47
lò đ-ợc nhập khẩu. Hầu hết các lò đốt ngoại đều không đ-ợc nhập khẩu đồng bộ do đó
việc xử lý rác thải y tế đã gây ra ô nhiễm từ các nguồn thải thứ cấp. Bộ y tế đã ban
hành các tiêu chuẩn cho phép sử dụng đối với lò đốt rác thải y tế thông th-ờng nh-ng
khống chế đối với thải nguy hại. Các chất thải rắn nguy hại trong công nghiệp chủ yếu
đ-ợc cất giữ tạm thời để chờ xử lý. Một vài nơi sử dụng lò đốt rác cho chất thải công
nghiệp nh-ng chỉ tập trung ở phía Nam. Tuy nhiên hầu hết các lò đốt này đều không
thể đáp ứng xử lý thích hợp các loại chất thải nguy hại. Một số Viện nghiên cứu và
công ty đã và đang tìm kiếm các công nghệ để giải quyết các chất thải đặc biệt nhậy
cảm nh- PCBs và POP. H-ớng nghiên cứu tập trung vào các giải pháp đốt trên các hệ
thống lò xi măng hay lò 2 tầng có xúc tác và giải pháp hoá học khử clo.

I.2/ công nghệ mso và các -u điểm

Một ph-ơng pháp truyền thống có hiệu quả cao để xử lý các chất thải là ph-ơng
pháp đốt trong các hệ thống lò đốt rác. Quá trình trong lò đốt rác (lò đốt) là một quá
trình oxy hóa có ngọn lửa có khả năng biến đổi bằng nhiệt các chất thải từ thể rắn sang
các thể lỏng, hơi hay ở thể rắn khác (thay đổi về cấu tạo và thành phần) nhằm làm
giảm đáng kể về khối l-ợng, thể tích và mức độ độc hại của các chất thải đó. Các sản
phẩm cháy hay nói cách khác là thành phần trong dòng khí phát ra từ lò đốt phụ thuộc
rất nhiều vào hiệu quả cháy hay sự oxy hoá hoàn toàn trong lò đốt và bản chất của chất
thải đ-ợc đốt. Mặc dù lò đốt là biện pháp xử lý chất thải nh-ng nó cũng có thể biến
thành một nguồn phát thải vào môi tr-ờng gây ô nhiễm cho một vùng rộng lớn hơn do
hiệu ứng phát tán của dòng khí ra. Điều này có thể xảy ra khi hệ thống lò đốt không
kiểm soát đ-ợc quá trình cháy, không kiểm soát đ-ợc dòng phát thải ra bên ngoài. Sự
gây ô nhiễm môi tr-ờng từ các lò đốt có thể là các hạt bụi, các oxit ni tơ, l-u huỳnh và
cacbon, các khí axit, các kim loại nặng, và đặc biệt là các hydrocacbua, dioxin/furan.
Tiềm năng phát ra dioxin từ các lò đốt là bởi nguyên nhân không thể phân hủy hết clo
trong các chất thải hữu cơ chứa clo bằng quá trình đốt có ngọn lửa. Do đó, các nhà
nghiên cứu xử lý môi tr-ờng trên thế giới đã và đang tập trung tìm kiếm các giải pháp
có thể xử lý triệt để các chất thải chứa clo.

Một trong những công nghệ đ-ợc coi nh- giải pháp hữu hiệu trong t-ơng lai,
công nghệ oxy hóa trong muối nóng chảy (MSO) đã chứng tỏ có nhiều -u điểm v-ợt
trội so với giải pháp lò đốt rác truyền thống. MSO là một quá trình xử lý thải bằng
nhiệt mạnh mẽ không có ngọn lửa có thể phân hủy gần nh- hoàn toàn đa dạng các chất
thải mà chỉ phát ra một khối l-ợng nhỏ thải thứ cấp không nguy hại. Môi tr-ờng trong
quá trình MSO là môi tr-ờng tạo điều kiện cho sự oxy hóa hoàn toàn và các phản ứng
hóa học xảy ra nhanh chóng do đó dem lại hiệu quả phân hủy rất cao đối với các chất
nguy hại và phóng xạ đặc biệt là các chất thải hữu cơ dẫn xuất clo. Công nghệ MSO đã
đ-ợc đánh giá là không có tiềm năng sinh ra dioxin/furan do khả năng phân hủy clo
chứa trong chất thải gần nh- triệt để (hiệu quả > 99,999%). 10

Có thể tóm tắt nguyên lý hoạt động của công nghệ MSO trong sơ đồ tổng thể
d-ới đây [2]:


H.1: Sơ đồ nguyên lý của công nghệ MSO

Quá trình vận hành của hệ thống (H. 1) gồm các b-ớc cơ bản sau đây: các chất
thải đ-ợc xé nhỏ và đ-ợc nạp vào d-ới đáy của một thùng lò phản ứng có chứa muối
kiềm nóng chảy tại nhiệt độ trong khoảng từ 700-950C (tùy thuộc vào nhiệt độ nóng
chảy của từng loại muối kiềm). Các chất thải đ-ợc đẩy vào lò bởi một dòng khí mà nó
cũng có mục đích cung cấp oxy cho quá trình oxy hóa. Lớp muối đ-ợc gia nhiệt tr-ớc
khi khởi động lò; khi lò đang ở chế độ vận hành thì nhiệt l-ợng của sự oxy hóa cháy sẽ
tự hỗ trợ cho quá trình.

Trong thùng lò, các phản ứng hóa học thiết yếu hoặc bao trùm lên cả quá trình
là các chất hữu cơ chứa C, H, O, N, S, Cl, P v.v. đ-ợc oxy hóa bằng nhiệt trong lớp
muối nóng chảy để sinh ra khí thải gồm CO 2, , H 2 O, N 2 , O 2 , và các chất vô cơ khác
đ-ợc tạo thành nh- sunfat, phốt phát, và clorua.

Khí thải đ-ợc chuyển qua một van đổi h-ớng để giữ lại hoặc tẩy đi các hạt muối
bị cuốn theo và sau đó đến hệ thống xử lý thải khí để tiếp tục tẩy đi bất kỳ một hạt nhỏ
nào tr-ớc khi phát thải ra khí quyển. Trong hệ thống này không cần thiết có các thiết bị
rửa axit do các thành phần axit đ-ợc hấp thụ bởi muối kiềm nóng chảy. 11

Sau một thời gian vận hành lớp muối nóng chảy sẽ tích lũy một l-ợng đáng kể
clorua natri, muối sunfat, phốt phát và các chất vô cơ khác mà các thành phần này ảnh
h-ởng đến hiệu quả xử lý. Do đó tro và các chất vô cơ phải đ-ợc thải ra khi tổng của tất
cả các chất nhiễm bẩn đ-ợc phân hủy chiếm ít nhất 60% trọng l-ợng.

Các muối nóng chảy đã sử dụng có thể đ-ợc tái chế bằng các biện pháp rửa bởi
n-ớc và axit, tiếp theo là kết tủa. Việc sử dụng lại các muối đ-ợc tái chế sẽ giảm chi
phí vận hành.

Quá trình oxy hóa trong muối nóng chảy có hàng loạt các -u điểm sau đây:

1) Hiệu quả phân hủy rất cao có thể lên tới 99.999%. Các chất thải đ-a vào trong quá
trình đ-ợc nhiệt phân ở nhiệt độ >400 o C. Môi tr-ờng trong hệ thống oxy hoá muối
nóng chảy là môi tr-ờng đa pha và tạo điều kiện cho sự hình thành các ion oxy do đó
xúc tác cho quá trình oxy hóa. Ngoài ra môi tr-ờng lỏng tạo ra sự t-ơng tác mật thiết
giữa các chất thải với oxy và các chất tham gia phản ứng thúc đẩy quá trình hoàn thành
một cách nhanh chóng.

2) Trong dòng thải không có các thành phần axit do đ-ợc trung hòa bởi môi tr-ờng
kiềm. Hầu hết các hạt bụi lớn đều đ-ợc giữ lại trong lớp chất lỏng. Điều này làm giảm
nhẹ cho hệ thống xử lý khí thải.

3) Quá trình oxy hoá trong muối nóng chảy không sinh ra các thành phần độc thứ cấp
nh- dioxin/furan do clo đ-ợc phân hủy gần nh- tuyệt đối .

4) Quá trình muối nóng chảy cung cấp một môi tr-ờng truyền nhiệt ổn định với một
l-ợng nhiệt thích hợp để chống lại sự xung nhiệt. Một môi tr-ờng nhiệt nh- vậy đảm
bảo đ-ợc nhiệt độ đồng đều và thúc đẩy thời gian tiếp xúc đồng đều giữa các chất tham
gia phản ứng ban đầu và do đó đảm bảo các phản ứng đ-ợc thực hiện hoàn toàn.

5) Nhiệt độ trong môi tr-ờng MSO thấp hơn nhiều so với lò đốt nên sự phát ra NO x
đ-ợc giảm đáng kể; tiết kiệm đ-ợc năng l-ợng và do đó làm giảm chi phí đầu t- cũng
nh- vận hành.

6) Môi tr-ờng trong MSO là môi tr-òng lỏng nên giữ lại hầu hết các bụi lớn. Do không
cần có nhiên liệu phụ trợ nên l-ợng bụi trong khí thải ra rất ít làm giảm nhẹ hệ thống
xử lý tiếp theo. Hệ thống không có cấu trúc phức tạp do đó chi phí bảo d-ỡng không
cao.

Tuy nhiên quá trình oxy hoá trong muối nóng chảy cũng có hai nh-ợc điểm
chính sau đây:

1) Vật liệu chế tạo lò phản ứng là loại vật liệu phải chịu đ-ợc nhiệt độ cao và sự ăn
mòn của môi tr-ờng muối đặc biệt là muối NaCl. Vật liệu tối -u đối với hệ thống này 12
là Inconel 600, hợp kim của niken và crom với thành phần niken >60%. Do đó vật liệu
là một vấn đề trong công nghệ MSO bởi yêu cầu chi phí cao.

2) Quá trình oxy hoá muối nóng chảy bị giới hạn với các chất có giá trị nhiệt thấp nh-
sỏi, đá, đất mùn. Các chất thải có hàm l-ợng n-ớc cao cần phải đ-ợc thêm vào một số
chất có giá trị nhiệt cao. Các chất thải có độ tro lớn và có thành phần clo rất cao cũng
là sự bất lợi cho hiệu quả phân hủy do việc làm tăng độ nhớt trong lớp nóng chảy và
phát thải các oxit cacbon. Ngoài ra do cấu tạo và công nghệ, công suất của lò không
cao.

I.3/ Các nghiên cứu ứng dụng công nghệ MSO trên thế giới để xử
lý chất thải nguy hại.

Từ thập niên 70 của thế kỷ tr-ớc, International Rockwell (Mỹ) đã thử nghiệm
công nghệ MSO với các chất thải nguy hại nh- một số các chất độc hoá học và thuốc
trừ sâu (DDT, malathion) với hiệu quả phân hủy rất cao. Sau thành công của Rockwell
là hàng loạt các thử nghiệm trên hệ thống MSO ở qui mô phòng thí nghiệm và bán
công nghiệp đã đ-ợc thực hiện trong nhiều phòng thí nghiệm trên n-ớc Mỹ nh- ETEC,
LLNL, ORNL và Rockwell.

[3].Hệ thống MSO của LLNL (Laurence Livermore National Laboratory) ở qui
mô phòng thí nghiệm bao gồm một lò phản ứng, hệ xử lý sơ bộ và nạp thải, hệ thống
xử lý khí thải, hệ thống tái sinh muối. Ngoài ra ở đây còn có hệ thống đo đạc phân tích
tự động khí thải và muối thải. Phần lò phản ứng đ-ợc làm bằng vật liệu đặc biệt
(Inconel 600) có thể chịu đ-ợc tốc độ ăn mòn lớn trong môi tr-ờng muối ở nhiệt độ
cao. Nguyên tắc vận hành trong thùng lò phản ứng là sự sủi bọt của các chất thải trong
cột chất lỏng đ-ợc chứa trong thùng lò mảnh. Hệ xử lý khí thải chỉ bao gồm các phin
lọc sơ bộ, phin lọc tuyệt đối và thiết bị trao dổi nhiệt để làm giảm nhiệt độ của khí thải
tr-ớc khi đ-ợc thải ra ngoài môi tr-ờng. Hệ xử lý sơ bộ và nạp thải gồm thiết bị xé
nhỏ chất thải, bộ cấp thải và thiết bị cấp oxy. Hệ thống tái sinh muối có hai chức năng
là làm sạch muối tr-ớc khi đ-ợc thải ra môi tr-ờng và có thể sử dụng lại để làm giảm
l-ợng muối mới cần thay thế muối thải ra.

Hệ thống này đã vận hành hàng trăm giờ trong hai năm (1995-1996) và các số
liệu kỹ thuật có giá trị đã đ-ợc thu thập. Hầu hết các thành phần khí thải ra đã đ-ợc
xác định nh- O 2, , CO, CO 2 , NO x , và toàn bộ cacbon hữu cơ. Một nhận xét chung là
nồng độ của CO và NO x trong khí thải phụ thuộc vào nhiệt độ vận hành và nồng độ clo
trong muối. Tuy nhiên mức độ ảnh h-ởng của hai yếu tố này đến hiệu quả phân hủy
không nh- nhau. ảnh h-ởng của nồng độ clo trong muối đến sự phát thải CO không
thấy rõ nh- ảnh h-ởng của nhiệt độ. Các kết quả thử nghiệm cho thấy nồng độ CO
trong khí thải giảm với sự tăng của nhiệt độ vận hành.

Tíếp theo của thử nghiệm trên hệ thống nhỏ, LLNL đã tiếp tục thử nghiệm trên
hệ thống pilot-scale với hàng loạt các chất thải hữu cơ đại diện nh- toluen, dầu khoáng,