Đồ Án Tổng hợp xúc tác reforming trên cơ sở HZSM-5. Ứng dụng trong công nghệ nhiệt phân nhựa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU
KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Ngành CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

BÀ RỊA – VŨNG TÀU, 2012



MỤC LỤC ( Đồ Án dài 78 trang có File WORD)


CHƯƠNG I : MỞ ĐẦU .1

1.1. Đặt vấn đề 1
1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài 2
1.2.1. Trong nước .2
1.2.2. Ngoài nước .3
1.3. Đối tượng nghiên cứu 5
1.4. Mục tiêu nghiên cứu .5
1.5. Nội dung nghiên cứu .6
1.6. Phương pháp nghiên cứu . 6
1.7. Ý nghĩa khoa học . 7
1.8. Ý nghĩa thực tiễn . 7

CHƯƠNG II : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 8

2.1. Tổng quan về quá trình nhiệt phân nhựa . 8
2.1.1. Tổng quan về nguyên liệu 8
2.1.2. Các phương pháp xử lí plastic phế thải 10
2.1.2.1. Đối với plastic có thể tinh chế 10
2.1.2.2. Plastic phế thải phi tinh chế 10
2.1.3. Phương pháp nhiệt phân plastic 11
2.1.3.1. Nhiệt phân không xúc tác và nhiệt phân có xúc tác 11
2.1.3.1.1. Nhiệt phân không xúc tác 11
2.1.3.1.2. Nhiệt phân có xúc tác 11
2.1.3.2. Nhiệt phân - Phương pháp chiếm ưu thế trong việc xử lí plastic phi tinh chế
thành dầu nguyên liệu . 11
2.1.3.3. Cơ chế nhiệt phân 13
2.1.3.3.1. Nhiệt phân sơ cấp . 13
2.1.3.3.1. Nhiệt phân thứ cấp 14
2.1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân 14
2.1.3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ 14
2.1.3.4.2. Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt . 15
2.1.3.4.3. Thời gian nhiệt phân . 15
2.1.3.4.4. Ảnh hưởng của nguyên liệu 15
2.1.3.4.5. Tốc độ sục khí N2 . 17
2.1.3.3.6. Hình thức của lò phản ứng 18
2.1.3.3.7. Ảnh hưởng của xúc tác – Nồng độ xúc tác . 19
2.1.4. Sơ đồ công nghệ của quá trình nhiệt phân nhựa 21
2.2. Tổng quan về xúc tác zeolit 22
2.2.1. Khái niệm . 22
2.2.2. Đặc điểm cấu trúc của zeolit 22
2.2.3. Tính xúc tác của zeolite 25
2.2.4. Ứng dụng của Zeolite 25
2.3. Giới thiệu về chất mang Zeolite ZSM-5 26
2.3.1. Thành phần hóa học của ZSM-5 . 26
2.3.2. Đặc điểm H-ZSM-5 27
2.3.3. Cấu trúc H-ZSM-5 27
2.3.4. Tính chất của ZSM-5 28
2.3.4.1. Tính axit 28
2.3.4.2. Tính chọn lọc hình học 30
2.3.5. Tổng hợp vật liệu ZSM-5 32
2.3.6. Ứng dụng của Zeolite ZSM-5 32
2.4. Phương pháp tổng hợp xúc tác – phương pháp tẩm trên chất mang . 33

CHƯƠNG III : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP XÚC TÁC
3.1. Hóa chất 35
3.2. Phương pháp tổng hợp . 35
3.3. Quy trình tổng hợp xúc tác 36
3.4. Phương pháp xử lý số liệu-phân tích kết quả quá trình tổng hợp xúc tác . 37
3.4.1. Thực nghiệm tổng hợp xúc tác 37
3.4.2. Phương pháp xác định bề mặt riêng xúc tác và kích thước lỗ trống . 38

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 . 40

4.1. Nguyên liệu . 40
4.2. Thiết bị nghiên cứu . 41
4.2.1. Hệ thống nhiệt phân nhựa . 41
4.2.2. Hệ thống chưng cất . 44
4.3. Thực nghiệm khảo sát hiệu suất hình thành nhiên liệu 45
4.3.1. Quy trình thực nghiệm 45
4.3.2. Quy hoạch thí nghiệm . 46
4.3.3. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của các loại xúc tác khác nhau 46
4.4. Phương pháp xử lý số liệu-phân tích quá trình nhiệt phân và chất lượng dầu
nhiệt phân từ nhựa 4.4.1. Phương pháp xác định khối lượng và hiệu suất sản phẩm 47
4.4.2. Đo nhiệt trị của dầu nhiên liệu 48

CHƯƠNG V: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .

5.1. Kết quả tổng hợp xúc tác . 49
5.1.1. Đánh giá hiệu quả của quy trình tổng hợp . 49
5.1.2. Đánh giá hiệu quả chất xúc tác sau khi tổng hợp 50
5.2. Kết quả thực nghiệm khảo sát hiệu suất của quá trình nhiệt phân nhựa
với các xúc tác đã tổng hợp 52
5.2.1. Kết quả thực nghiệm khảo sát hiệu suất tạo dầu từ nhựa cao su 52
5.2.2. Kết quả thực nghiệm khảo sát hiệu suất phân đoạn dầu nhẹ
và dầu nặng khi chưng cất tới 350oC . 54
5.3. Kết quả đo nhiệt trị của dầu nhẹ từ nhiệt phân nhựa . 59
5.4. Cơ chế xúc tác trong quá trình reforming khí nhiệt phân nhựa
của các xúc tác được nghiên cứu . 60



CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
6.1. Kết luận 65
6.2. Kiến nghị . 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC 68




DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Cơ cấu sản phẩm nhiệt phân . 12
Bảng 2.2: Thành phần tỉ lệ nguyên liệu và hiệu suất tạo dầu . 16
Bảng 2.3: Sản phẩm nhiệt phân của FT wax sau khi được hydrotreating 7
Bảng 2.4: Hiệu suất chuyển hóa hydrocacbon thơm từ n-hecxane với các xúc tác
HZSM-5 tẩm kim loại 20
Bảng 3.1: Hóa chất tổng hợp xúc tác . 35
Bảng 3.2: Khối lượng các chất cần để điều chế xúc tác . 38
Bảng 4.1: Thành phần nguyên liệu của đệm Kim Đan . 40
Bảng 4.2: Điều kiện thí nghiệm cơ sở . 46
Bảng 4.3: Điều kiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các loại xúc tác 47
Bảng 5.1: Khối lượng các chất xúc tác thu được sau khi tổng hợp . 49
Bảng 5.2: Diện tích bề mặt riêng và đường kính lỗ mao quản của các xúc tác . 1
Bảng 5.3: Diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp của xúc tác Mo/ZSM-5 theo
nghiên cứu của Tshabalala . 51
Bảng 5.4: Thể tích, khối lượng và tỷ trọng của sản phẩm dầu khi nhiệt phân nhựa
ở điều kiện nhiệt phân cơ sở 52
Bảng 5.5: Hiệu suất sản phẩm dầu/nguyên liệu khi nhiệt phân nhựa ở điều kiện
nhiệt phân cơ sở . 53
Bảng 5.6: Thể tích dầu nhẹ theo nhiệt độ sôi khi chưng cất . 4
Bảng 5.7: Điểm sôi đầu của dầu khi chưng cất 55
Bảng 5.8: Khối lượng, thể tích và tỉ trọng của dầu nhẹ khi chưng cất tới 350oC . 56
Bảng 5.9: Hiệu suất dầu nhẹ và dầu nặng thu được khi nhiệt phân nhựa
ở điều kiện cơ sở . 57
Bảng 5.10: Nhiệt trị của dầu nhiệt phân từ nhựa với các hệ xúc tác đo ở điều kiện
1at, 20oC 59
Bảng 5.11: Nhiệt trị của một số nhiên liệu đo ở điều kiện 1at, 20oC 60
Bảng 5.12: sự phân bổ lại tính acid theo nồng độ kim loại và phương pháp
xử lý HZSM-5 trước khi tẩm 61
Bảng 5.13: Thành phần các sản phẩm nhiệt phân . 61
Bảng 5.14: Thành phần sản phẩm lỏng nhiệt phân . 62
Bảng 5.15: Thành phần sản phẩm khí nhiệt phân 62
Bảng 5.16: Cơ chế xúc tác của các xúc tác Me/ZSM-5 4

DANH MỤC SƠ ĐỒ


Sơ đồ 3.1: Quy trình tổng hợp xúc tác .37
Sơ đồ 4.1: Sơ đồ khối quy trình thực nghiệm . 45






DANH MỤC HÌNH


Hình 2.1: Thành phần các loại nhựa trong chất thải rắn 8
Hình 2.2: Biểu đồ thể hiện hiệu suất chuyển hóa theo nồng độ kim loại Ga . 20
Hình 2.3: Thiết bị nhiệt phân nhựa tại trung tâm RPTC . 21
Hình 2.4: Đơn vị cấu trúc cơ bản của Zeolite . 23
Hình 2.5: Các đơn vị cấu trúc SUB của zeolite 23
Hình 2.6: Mô tả sự hình thành cấu trúc zeolite A, X hoặc Y 24
Hình 2.7: Phổ XRD của ZSM-5 . 26
Hình 2.8: Cấu trúc tinh thể của zeolite H-ZSM-5 . 27
Hình 2.9(a): Hệ kênh mao quản của ZSM-5 28
Hình 2.9(b): Sơ đồ cấu trúc mạng của ZSM-5 . 28
Hình 2.10: Tính axit của zeolite H-ZSM-5 30
Hình 2.11: Độ chọn lọc hình dạng của xúc tác zeolite H-ZSM-5 31
Hình 3.1: Xúc tác HZSM-5 . 36
Hình 3.2: Cấu tạo máy đo bề mặt riêng Nova 2200 39
Hình 4.1: Nhựa thải đệm Kim Đan 41
Hình 4.2: Hệ thống nhiệt phân nhựa 42
Hình 4.3: Cấu tạo thiết bị nhiệt phân . 43
Hình 4.4: Hệ thống chưng cất 44
Hình 5.1 (a,b): Xúc tác Mo/H-ZSM-5 49
Hình 5.2 (a,b): Xúc tác Co/H-ZSM-5 50
Hình 5.3 (a,b): Xúc tác Fe/H-ZSM-5 . 50
Hình 5.4: Hiệu suất chuyển hóa dầu/nguyên liệu khi nhiệt phân nhựa
ở điều kiện nhiệt phân cơ sở . 53
Hình 5.5: Đặc trưng TPB của sản phẩm dầu nhẹ khi chưng cất tới 350oC 56
Hình 5.6 : Dầu nhiệt phân từ nhựa với các hệ xúc tác 57
Hình 5.7: Biểu đồ thể hiện hiệu suất dầu nhẹ và dầu nặng so với nguyên liệu 58


ĐẶT VẤN ĐỀ



Hiện nay rác thải từ nhựa gây ô nhiễm môi trường đang là một vấn đề bức thiết của Việt Nam ta nói riêng và thế giới nói chung. Chúng ta có thể xử lý rác thải theo một số phương pháp như chôn lấp, đốt, Tuy nhiên với phương pháp đốt sẽ sinh ra nhiều khí độc hại cho môi trường, trong đó có cả chất dioxin. Bên cạnh đó nếu sử dụng phương pháp chôn lấp rác thải, chúng ta vô tình bỏ đi một nguồn nhựa đáng quý. Do vậy phương pháp nhiệt phân nhựa thành dầu nhiên liệu là một hướng đi mang lại giá trị kinh tế cao, đồng thời giải quyết được vấn đề về môi trường. Phương pháp này đã được nghiên cứu tại một số nước như Mỹ, Nhật Bản, và tại Việt Nam năm 2011 đã được thử nghiệm thành công tại “Trung tâm nghiên cứu lọc hóa dầu đại học Bách khoa TP. HCM”.

Bên cạnh đó hệ xúc tác Me/ZSM-5 đã được đưa vào nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng cho một số nghiên cứu và đã mang lại những thành công bước đầu.

Từ những cơ sở trên nghiên cứu “ Tổng hợp xúc tác reforming trên cơ sở HZSM-5. Ứng dụng cho quá trình nhiệt phân nhựa” đã được thực hiện. Nhằm giải quyết hai vấn đề chính: thay đổi cơ cấu sản phẩm, tăng hiệu suấ thu hồi sản phẩm lỏng và giảm hiệu suất của sản phẩm khí; Trong sản phẩm lỏng có chứa hàm lượng olefin rất lớn, với sự có mặt của xúc tác Me/ZSM-5 sẽ chuyển hóa các olefin thành các hydrocacbon no và hydrocacbon thơm, nhằm làm tăng chất lượng dầu nhiệt phân.

Kết cấu đề tài bao gồm 5 chương:
Chương I: Mở đầu
Chương II: Tổng quan lý thuyết

Chương III: Nhiên cứu thực nghiệm tổng hợp xúc tác

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 V: Kết quả và bàn luận

Chương VI: Kết luận và kiến nghị