Công nghệ tái sử dụng chai PET - Phần 1

CÔNG TY CỔ PHẦN KỸ NGHỆ ĐÔ THÀNH PHÒNG KỸ THUẬT Baïn coù bieát ? ÔChuùng ta ñang söû duïng löôïng nhöïa gaáp 20 laàn so vôùi caùch ñaây 20 naêm. ÔHaàu heát nhöïa khoâng theå töï phaân huûy sinh hoïc, ñieàu ñoù coù nghóa laø phaûi maát haøng traêm naêm, thaäm chí haøng nghìn naêm ñeå phaân huûy saûn phaåm nhöïa khi chuùng ñöôïc thaûi vaøo moâi tröôøng. ÔÑeå saûn xuaát nhöïa ñoøi hoûi moät löôïng lôùn nguoàn taøi nguyeân khoâng theå taùi taïo. ÔNeáu chuùng ta taùi söû duïng 1 taán chai PET thì tieát kieäm ñöôïc 2 taán daàu thoâ vaø 1,5 taán CO2 thaûi vaøo moâi tröôøng. Tp. HCM 3/2008 PHAN VŨ HOÀNG GIANG Công nghệ tái sử dụng chai PET vitaminmylove@yahoo.com 1 I. MỞ ĐẦU Từ khi được giới thiệu và sử dụng lần đầu tiên cho chai nước ngọt vào năm 1973, bao bì thực phẩm làm từ nhựa PET đã được chấp nhận cho sử dụng rộng rãi và phát triển mạnh mẽ. Có thể nói bao bì nhựa PET được thấy ở khắp mọi nơi từ đựng thực phẩm (nước ngọt có gas, bia, rượu, nước khoáng, nước trái cây, sữa, nước gia vị, dầu ăn, hộp bánh kẹo, etc) đến hóa chất công nghiệp và gia dụng (thuốc trừ sâu, chất tẩy rửa, nhiên liệu, etc). Theo thống kê số lượng nhựa PET được sản xuất ra hiện nay chỉ đứng sau polyolefin (PE và PP), ở Mỹ có khoảng 31% chai nhựa được sản xuất từ PET. Chính những tính chất như : không độc hại, độ bền cao, dai chắc, khối lượng nhẹ, ngoại quan đẹp, chống thấm khí O2, CO2 tốt, trơ (không ảnh hưởng đến sản phẩm chứa), không dễ vỡ như thủy tinh, giá thành rẻ, thuận tiện khi sử dụng đã giúp PET trở thành loại nhựa được dùng trong lĩnh vực bao bì nhiều nhất và được ưa thích nhất. Thực tế và dự báo nhu cầu bao bì nhựa PET trên thế giới Tuy nhiên không phải bao bì nhựa PET không có khuyết điểm, hạn chế lớn nhất của nó chính là mặc dù có nhiệt độ nóng chảy cao nhưng giới hạn trên của nhiệt độ sử dụng sản phẩm nhựa PET lại khá thấp (chỉ khoảng 650C). Điều này có thể được khắc phục bằng cách biến tính hóa học (đưa vào các monomer mạch vòng) hoặc xử lý nhiệt sản phẩm sau gia công để tăng độ kết tinh (giống như chai trà xanh ở ta) nhưng điều này làm tăng đáng kể giá thành. Sự hạn chế này là nguyên nhân chính hiện nay tại sao chai PET dùng chứa nước ngọt, bia không thể được sử dụng lại (với chai thủy tinh hoặc chai polycarbonate sau khi sử dụng hết sản phẩm trong chai thường được tiến hành rửa bằng nước nóng sau đó sử dụng trở lại). Nói là nói vậy nhưng ở ta hiện nay có một số công ty bia sau khi khách hàng sử dụng hết họ thu gom chai về và rửa với nước ấm sau đó tiếp tục sử dụng. Chính vì sử dụng một lần rồi bỏ nên phế liệu PET hiện nay là rất nhiều, điều này không chỉ ảnh hưởng về mặt kinh tế (lãng phí tài nguyên) và còn là một vấn nạn của môi trường. Công nghệ tái sử dụng chai PET vitaminmylove@yahoo.com 2 Chai PET sau khi sử dụng được thải ra môi trường Giá dầu thế giới Ta có thể thấy giá dầu tăng hằng ngày, hiện tại đã ở mức gần 110$/ thùng. Sự tăng giá dầu đồng nghĩa với việc chi phí sản xuất nhựa sẽ tăng lên, do đó xu hướng tái sử dụng phế liệu là một hướng đi đúng đắn không chỉ có ý nghĩa kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường giúp đảm bảo sự phát triển bền vững. Nếu chúng ta tái sử dụng 1 tấn chai PET sẽ tiếp kiệm được 2 tấn dầu thô và 1,5 tấn CO2 thải vào môi trường. Thực tế và ước đoán sự phát triển thị trường tái sử dụng chai PET Công nghệ tái sử dụng chai PET vitaminmylove@yahoo.com 3 Các ứng dụng của R-PET ở Mỹ (đơn vị triệu pounds) PET được xem là một trong những loại nhựa dễ tái sử dụng nhất, phế liệu PET có giá trị rất cao, chỉ đứng sau nhôm. Thông thường một chai nước ngọt có dung tích 2 lít chứa khoảng 1g polyolefin, 5g vật liệu nhãn (bao gồm cả keo dán nếu có) và 60g PET. Những công nghệ tái sử dụng PET được cải tiến và đổi mới liên tục theo thời gian. Những sản phẩm làm từ R-PET Công nghệ tái sử dụng chai PET vitaminmylove@yahoo.com 4 1 yd2 khoảng 0,836 m2 Hiệu quả của tái sử dụng chai PET Tái sử dụng chai PET đã qua sử dụng để sản xuất các sản phẩm như : xơ sợi (làm quần áo, thảm, xơ độn gối), đùn tấm làm đầu vào cho quá trình tạo hình nhiệt để sản xuất khay, container, etc, không tiếp xúc với thực phẩm hoặc làm lớp giữa cho bao bì tiếp xúc thực phẩm là tương đối dễ dàng nhưng một công nghệ tái sử dụng với mục đích ‘Bottle to Bottle’ (viết tắt là B2B), trong đó các chai này được sử dụng cho những ứng dụng thực phẩm, thuốc là hết sức phức tạp, cần vốn đầu tư lớn. Việc xử lý phế liệu phải đáp ứng được hai điều kiện cơ bản : các tạp chất phải được loại bỏ triệt để và chỉ số độ nhớt đặc trưng (I.V) sau khi xử lý phải ≥ 0.78 dl/g. II. THÁCH THỨC CỦA CÔNG NGHỆ B2B ‹ Trong quá trình gia công, sử dụng do tác động của các yếu tố : nhiệt, bức xạ, hoá chất, khối lượng phân tử PET sẽ giảm hay nói cách khác I.V giảm. Nếu ban đầu chai được sản xuất từ nguyên liệu có I.V là 0.82 (dl/g) thì sau quá trình gia công sử dụng I.V sẽ giảm xuống mức nhỏ Công nghệ tái sử dụng chai PET vitaminmylove@yahoo.com 5 hơn 0.76 (dl/g). Sự giảm I.V làm giảm tính chất cơ lý của nhựa PET gây ra sự mất ổn định khi sản xuất, tạo ta các khuyết tật trên sản phẩm và giảm khả năng chịu áp lực của chai. Khối lượng phân tử PET đặc biệt giảm nhanh khi có mặt của các polymer khác loại, đặc biệt là PVC (PVC rất dễ bị phân hủy ở nhiệt độ xử lý PET, giải phóng HCl có tác dụng xúc tác cho quá trình phân hủy thủy phân PET, ngoài ra nó còn gây ăn mòn thiết bị). ‹ Sự nhiễm tạp chất từ sản phẩm được chứa trong chai (đặc biệt khi chai chứa hóa chất, thuốc trừ sâu, chất tẩy rửa, nhiên liệu, do người sử dụng dùng sai mục đích, etc), từ môi trường, những chất hóa học này có thể hấp thụ vào vật liệu PET, nếu chúng ta chỉ rửa sạch bên ngoài phế liệu thì các hóa chất này vẫn tồn tại bên trong vật liệu và sẽ thôi nhiễm (migration) vào sản phẩm chứa. Những tạp chất như giấy, polyolefin từ nhãn, nắp không tương hợp với PET sẽ tạo ra các chấm, vệt mờ, nặng có thể gây tách lớp, bong tróc. Những tạp chất còn đóng vai trò là chất tạo mầm cho quá trình kết tinh làm thay đổi ứng xử kết tinh của vật liệu PET. Một tạp chất gây phiền hà cao đó chính là keo dán nhãn , rất khó để loại bỏ, những keo dán này dễ bị sẫm màu khi PET được xử lý ở nhiệt độ cao làm cho R-PET (PET tái sử dụng – recycled PET) biến màu (ngả vàng), đục, chấm đen. Nếu dùng hóa chất để loại bỏ keo dán thì phải xử lý để loại bỏ hết hóa chất, nếu không tình hình sẽ trở nên tồi tệ hơn. Theo quy định FDA, R-PET dùng cho tiếp xúc với thực phẩm phải được xử lý đến mức tạp chất maximum là 215 ppb (phần tỷ - part per billion), khi đó lượng thôi nhiễm tối đa là 10 ppb sẽ không ảnh hưởng tới sức khỏe người tiêu dùng (Begley 1997). FDA quan tâm về hàm lượng chất thôi nhiễm vào sản phẩm chứa hơn là hàm lượng tạp chất có trong vật liệu PET. Nielson (1994) đã nghiên cứu ảnh hưởng của những quá trình rửa chai PET khác nhau lên hiệu quả loại bỏ tạp chất là hương cam (myrcene và limonene). Các điều kiện rửa khác nhau đã được xem xét : - Dung dịch 1,5% NaOH, nhiệt độ 600C, thời gian 15 phút. - Dung dịch 3% NaOH, nhiệt độ 600C, thời gian 15 phút. - Dung dịch 1,5% NaOH, nhiệt độ 700C, thời gian 15 phút. Những kết quả đạt được : - Ở nhiệt độ rửa 600C (cả dung dịch 1,5 % và 3%) loại bỏ được 32% myrcene và 22% limonene hấp thụ vào trong vật liệu. - Tăng thêm 100C loại bỏ được 45% myrcene (tăng 13%) và 31% limonene (tăng 11%) ở cả hai nồng độ dung dịch. ) Như vậy nhiệt độ đóng một vai trò rất quan trọng trong hiệu quả loại bỏ tạp chất. Công nghệ tái sử dụng chai PET vitaminmylove@yahoo.com 6 Devlieghere (1997) đã nghiên cứu việc loại bỏ limonene và chloroxylenol từ chai PET đã kết luận rằng : nồng độ NaOH và nhiệt độ có ảnh hưởng cao lên khả năng loại bỏ tạp chất. Thông thường nhiệt độ càng cao khả năng loại bỏ tạp chất càng cao. Tuy nhiên khi nhiệt độ trên 750C tại nồng độ NaOH cao hiệu quả rửa sẽ giảm xuống. Với PET điều kiện rửa tối ưu là 700C và nồng độ NaOH là 2 – 2,8 %. Tuy nhiên mức limonene và chloroxylenol thôi nhiễm khi kiểm tra sau quá trình rửa cao hơn 10 ppb. ) Vì vậy những chai đã rửa không thích hợp cho dùng trở lại (reuse). Một khảo sát đã ước lượng mức tạp chất sau mỗi quá trình xử lý phế liệu được cho ở bảng sau Tạp chất Mức tạp chất trong PET-F chưa rửa (ppb) Mức tạp chất trong PET-F sau rửa (ppb) Mức tạp chất sau quá trình đùn (ppb) Mức tạp chất sau quá trình ép phun (ppb) Chloroform 61.3 5.2 0.5 0.2 Toluen 176.8 36.1 <0.5 <0.5 Benzophenone 71.3 17.5 3.6 2.0 Methyl stearate 8.1 1.6 <0.5 <0.5 Đồng octanoate 23.0 0.8 0.4 0.4 Biện pháp giảm mức tạp chất thôi nhiễm vào sản phẩm chứa là trộn chung R-PET và V-PET (nhựa PET chính phẩm – virgin PET) hoặc làm màng đa lớp. Ở Úc, Coca-Cola Amatil sản xuất các chai chứa nước uống với tỷ lệ sử dụng 25% R-PET. Yêu cầu tối thiểu của nguyên liệu R-PET dùng cho sản xuất chai tiếp xúc được với thực phẩm cho ở bảng sau Tính chất Đơn vị Giá trị Độ nhớt đặc trưng (dl/g) dl/g ≥ 0.78 Màu sắc (phương pháp Gardner) - < 1 Độ pH - 7 ± 0,5 Hàm lượng ẩm % < 0,7 Tạp chất hoá học (giữ lại sau quá trình rửa) ppm < 50 Tạp chất nhẹ (floatable) ppm < 60 Tạp chất PVC ppm < 30 Keo dán ppm < 10 Kim loại ppm < 20 Tạp chất không nóng chảy khác ppm < 45 Thuỷ tinh ppm < 5 Công nghệ tái sử dụng chai PET vitaminmylove@yahoo.com 7 II. KHẢ NĂNG ĐẦU TƯ Là dự án có số vốn đầu tư rất lớn, hiện tại ở Việt Nam chưa có Công ty nào dám đầu tư công nghệ B2B, chỉ có một số Công ty đang tiến hành tái sử dụng chai PET để sản xuất các sản phẩm không tiếp xúc với sản phẩm, do đó nếu quyết định đầu tư công nghệ này thì tất cả các yếu tố liên quan đến dự án cần phải được xem xét kỹ lưỡng. Š Khả năng đáp ứng của nguyên liệu đầu vào. Với dây chuyền trung bình 1000 kg/h thì lượng nguyên liệu cần cho đầu vào lên đến trên 20 tấn/ngày. Liệu chúng ta có khả năng thu mua được số lượng lớn như vậy. Hiện trạng nguồn phế liệu PET Ta có thể thấy ở hình trên, hiện tại hầu hết phế liệu PET trên thế giới đang đổ về Trung Quốc với giá thu mua ngày càng cao. Thị trường phế liệu PET Việt Nam cũng vậy, để dành lấy thị phần phế liệu từ tay Trung Quốc không phải là chuyện dễ dàng. Š Khả năng sử dụng R-PET từ dây chuyền này. Có thể khẳng định rằng hiện tại không có công nghệ nào mà R-PET được sử dụng trên 50% cho sản xuất những chai trong (loại chai phổ biến), với chai màu có thể sử dụng 100% do ảnh hưởng của màu sắc (phế liệu bị biến vàng sau quá trình xử lý). Với lượng sản xuất ra là dư thừa cho sản xuất nội bộ, liệu chúng ta có bán được số còn lại và do đó sản phẩm cuối cùng của dây chuyền tái sử dụng nên ở dạng mảnh (flake) hay dạng hạt (pellet) thì tốt hơn. Công nghệ tái sử dụng chai PET vitaminmylove@yahoo.com 8 Š Ảnh hưởng đến tâm lý của khách hàng. Khi chúng ta đầu tư một dây chuyền tái sử dụng. Những khách hàng đặt chai họ sẽ dè dặt và có tâm lý thận trọng khi đặt hàng vì họ chắc rằng chúng ta sẽ sử dụng R-PET cho sản xuất các chai chứa thực phẩm, thuốc của họ. Mặc dù R- PET được chứng nhận FDA nhưng tâm lý đó là không thể tránh khỏi. - Nên chăng chúng ta chỉ đầu tư dây chuyền xử lý phế liệu PET dạng mảnh đã qua xử lý (phế liệu này được mua ngoài). Dây chuyền lúc này chỉ bao gồm : thiết bị kết tinh hóa, máy đùn hai trục vít, thiết bị SSP, thiết bị làm lạnh. Khi đó chúng ta sẽ bớt một dây chuyền cồng kềnh phân loại - nghiền - rửa phía trước, không cần hệ thống xử lý nước thải hoàn lưu, tuy nhiên khi đó lại không chủ động và kiểm soát tốt nguồn đầu vào cho công đoạn sau. Š Sản phẩm đầu ra có thể là PET dạng mảnh (PET-F) hoặc ở dạng hạt tùy theo công nghệ. Thông thường nên chuyển R-PET thành dạng hạt tuy chi phí có tăng lên nhưng nó có nhiều ưu điểm hơn, PET-F không bao giờ đủ sạch ở mức micro. Quá trình tạo hạt (pelletizing) bằng máy đùn giúp loại bỏ tốt những hợp chất dễ bay hơi (qua các vùng thoát khí) và các tạp chất rắn không nóng chảy (bằng lưới lọc), sự tạo hạt còn làm đồng nhất tính chất vật liệu (nhất là I.V), kích thước hạt, tăng tỷ trọng khối tạo thuận lợi cho sự kiểm soát các tính chất vật liệu khi xử lý bằng thiết bị kết tinh hóa, thiết bị SSP đồng thời dễ dàng cho tất cả các mục đích sử dụng sau này. Điều quan trọng đó là lựa chọn đúng công nghệ nhằm tăng cao nhất giá trị phế liệu và giảm tối thiểu chi phí. Và cũng cần nhớ rằng để có chứng nhận FDA cho R-PET cần đầu tư một dây chuyền phân loại - nghiền - rửa phức tạp, tạo hạt và SSP. Những thiết bị phụ trợ cũng hết sức quan trọng và cần vốn đầu tư lớn, đặc biệt là hệ thống xử lý nước thải của các quá trình để hoàn lưu. III. CÁC CÔNG NGHỆ HIỆN TẠI CHO QUÁ TRÌNH TÁI SỬ DỤNG CHAI PET Có 3 phương pháp chính để tái sử dụng phế liệu PET : 1. Sử dụng như một nguồn năng lượng sinh khối (biomass). 2. Tái sử dụng bằng phương pháp hóa học : khử trùng hợp PET thành các chất cơ bản, làm sạch sau đó tổng hợp trở lại. Sản phẩm thu được từ quá trình này có tính chất tương tự như nhựa PET chính phẩm nhưng chi phí sản xuất rất cao. Phương pháp này lại chia ra 3 cách theo tác nhân dùng để khử trùng hợp (depolymerizing agent). Công nghệ tái sử dụng chai PET vitaminmylove@yahoo.com 9 Ba phương pháp khử trùng hợp Š Thủy phân (hydrolysis) : tác nhân khử trùng hợp là nước, xúc tác cho quá trình là acid hoặc NaOH. Phương pháp này phản ứng xảy ra chậm, để làm sạch TPA (terephthalic acid) cần quá trình nhiều giai đoạn. Phương pháp này ít được thương mại hóa. Phản ứng khử trùng hợp PET bằng nước Š Rượu phân (methanolysis) : tác nhân khử trùng hợp là rượu methylic (methanol) ở nhiệt độ khoảng 2000C, quá trình phân tách sản phẩm của phản ứng cần chi phí cao, phương pháp này ít kinh tế. Phản ứng khử trùng hợp PET bằng rượu methylic Š Glycol phân (glycolysis) : tác nhân khử trùng hợp là ethylene glycol, sản phẩm của phản ứng là BHET (bis (2-hydroxyethyl terephthalate)) được làm sạch bởi quá trình lọc nóng chảy và xử lý bằng than để khử màu và tạp chất.