TÁI CHẾ VẬT LIỆU FRP

TÁI CHẾ VẬT LIỆU FRP

 Kyle Bartholomew – Chương Trình Hỗ Trợ Kỹ Thuật Minnesota (MnTAP) [1]

 Lời người dịch: Vật liệu FRP được mệnh danh là vật liệu thông minh, được ứng dụng rộng rãi trong thực tế do có nhiều ưu điểm vượt trội. Một trong những ưu điểm nổi bật của vật liệu FRP là có tính trơ với môi trường. Tuy nhiên đây cũng là nhược điểm cơ bản của loại vật liệu này do khó khăn trong xử lý chất thải và sản phẩm sau sử dụng của nó. Tài liệu này cho thấy hiện nay trên thế giới có hai nhóm giải pháp cơ bản để giải quyết vấn đề này: Xử lý chất thải FRP bằng cách chôn lấp, hoặc tái chế chất thải và sản phẩm FRP sau sử dụng bằng các giải pháp tiềm năng. UNINSHIP xin giới thiệu bài viết này đến những ai đang hoạt động trong lĩnh vực gia công vật liệu FRP, cũng như bạn đọc quan tâm, và nhất là các cơ quan bảo vệ môi trường, với hy vọng sẽ nhận được những quy định hợp lý mang tính chất pháp lý về xử lý chất thải FRP ở những địa phương chưa có nhà máy xử lý chất thải công nghiệp như tỉnh Khánh Hòa chúng ta.

Rác thải FRP được đóng bao và đem về nơi lưu trữ chờ xử lý

Thông tin cơ sở

Các sản phẩm nhựa gia cường cốt sợi thủy tinh (FRP) là loại vật liệu bao gồm sợi gia cường được bao phủ bởi một nền polymer. Nền polymer được sử dụng dưới dạng nhựa lỏng và được lưu hóa để biến thành chất rắn. Vật liệu gia cưởng tiêu biểu là sợi thủy tinh, nhưng cũng có thể là các loại khác như aramid (Kevlar) hoặc sợi carbon. Hàm lượng sợi của các loại vật liệu FRP này nằm trong phạm vi từ 5% đến 60% về mặt khối lượng.

Có thể sử dụng nhiều phương pháp để sản xuất các sản phẩm FRP, bao gồm phương pháp trát lớp bằng tay, phương pháp sử dụng súng phun, phương pháp cấp liệu trong khuôn kín và phương pháp đúc áp lực. Đa số các nhà sản xuất ở Minnesota sử dụng phương pháp bằng tay, phương pháp súng phun hoặc phương pháp đúc áp lực. Đúc áp lực được sử dụng chủ yếu ở các nhà máy sản xuất hàng loạt, như các xưởng ô tô.

Chất thải rắn được tạo nên bởi tất cả các phương pháp chế tạo nêu trên. Chất thải rắn chủ yếu ở dạng hạt, ba via, hoặc các phần bất kỳ nào đó. Hiện nay các chất thải này được xử lý bằng cách chôn lấp.

 Động cơ thúc đẩy

Khảo sát được thực hiện bởi MnTAP cho thấy các nhà chế tạo FRP rất quan tâm đến việc tái chế chất thải này. Có hai dạng chi phí để xử lý chất thải FRP: chi phí để vứt bỏ và “chi phí cơ hội”. Chi phí để vứt bỏ là điều mọi người thường nghĩ đến khi đề cập đến chủ đề xử lý chất thải. Chi phí vứt bỏ bao gồm chi phí vận chuyển và chi phí chôn lấp. Chi phí cơ hội là chi phí được sử dụng để biến chất thải thành sản phẩm có thể sử dụng được. Cơ hội thu lợi nhuận bị mất đi mỗi lần chất thải bị vứt bỏ.

MnTAP khẳng định việc giảm chất thải là cách tốt nhất để xử lý chất thải. Do việc giảm chất thải sẽ giảm cả chi phí vứt bỏ và chi phí cơ hội, dẫn đến lợi nhuận kinh tế lớn hơn.

Tuy nhiên, ngay cả công nghệ chế tạo vật liệu FRP tốt nhất vẫn tạo ra một lượng chất thải nhất định.

Để giải quyết mối bận tâm về tái chế chất thải, tài liệu này cố gắng tóm tắt tình trạng tái chế FRP hiện tại. Điều này được hoàn thành thông qua việc tham khảo một số tài liệu liên quan và qua thảo luận với những người đã cố gắng tái chế chất thải FRP trong quá khứ.

Xác định vấn đề

Chất thải rắn được tạo nên trong quá trình gia công vật liệu FRP là nhựa nền polymer đã lưu hóa và vật liệu sợi gia cường. Cấu trúc hóa học của polymer sử dụng, hàm lượng sợi và chất độn của chất thải FRP làm cho việc tái chế phức tạp hơn việc tái chế nhựa nhiệt dẻo.

Vấn đề thứ nhất đối với việc tái chế chất thải FRP là việc sử dụng nhựa nhiệt rắn. Nhựa nhiệt rắn là chất lỏng chuyển sang trạng thái rắn thông qua phản ứng hóa học tạo nên liên kết giữa các phân tử nhựa. Phản ứng lưu hóa là không thuận nghịch. Chất rắn đã lưu hóa không trở về trạng thái lỏng ban đầu khi bị nung nóng như nhựa nhiệt dẻo. Khác với nhựa nhiệt dẻo, chất thải FRP không thể nấu chảy và đúc lại thành sản phẩm như thường sử dụng khi tái chế nhựa nhiệt dẻo. So sánh giữa nhựa nhiệt rắn và nhựa nhiệt dẻo giống như khi so sánh việc nấu trứng với làm đông nước. Giống như nước ở trạng thái đông rắn, vật liệu nhiệt dẻo có thể được nấu chảy và làm đặc trở lại, nhưng trứng đã nấu chín (nhựa nhiệt rắn đã lưu hóa) không thể chuyển trở lại trạng thái ban đầu.

Nhân tố phức tạp thứ hai khi tái chế FRP là chất độn và hàm lượng sợi của chất thải. Chất độn được thêm vào vật liệu FRP để giảm bớt nhựa trong sản phẩm. Điều này làm giảm giá thành và hơi styren. Chất độn còn được sử dụng để cải thiện tính chống cháy hoặc tạo vẻ bề ngoài theo ý muốn. Sợi được dùng trong sản phẩm FRP để tăng cường sức bền. Tính chất vật lý của sợi xác định sức bền của thành phẩm. Hai tính chất then chốt của sợi ảnh hưởng đến sức bền là chiều dài sợi và khuyết tật bề mặt như vết nứt, vết đứt gãy. Bất cứ sự suy giảm về chiều dài sợi hoặc tạo nên khuyết tật bề mặt khi tái chế sẽ làm giảm giá trị của vật liệu khi tái chế. Hệ thống tái chế vật liệu FRP phải được thiết kế sao cho có thể phục hồi và tái sử dụng hàm lượng sợi và chất độn trong chất thải.

Thứ ba, hầu hết sản phẩm FRP ở Minnesota sử dụng quá trình lưu hóa ở nhiệt độ trong phòng nhằm giảm chi phí chế tạo. Sử dụng phương pháp này tạo nguy cơ tăng hàm lượng chất xúc tác và chất xúc tiến trong chất thải. Sự vượt quá hàm lượng chất xúc tác (chất đông rắn) và chất xúc tiến có thể gây ra vấn đề về an toàn và kiểm soát chất lượng trong hệ thống tái chế. Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng nhất đến cơ tính của vật liệu tái chế.

Thứ tư, những người tham gia khảo sát cho rằng cách thực hiện tái chế chất thải FRP ưa thích của họ là thực hiện ở phương tiện xử lý tập trung. Điều này tạo cảm giác để vận hành thành công phương tiện tái chế, phải bổ sung thêm vấn đề về giao thông và hậu cần.

Cuối cùng, bất cứ hệ thống tái chế nào dù đã giải quyết được thách thức về kỹ thuật và hậu cần, cũng phải có thị trường sử dụng vật liệu tái chế đủ lớn để bù đắp chi phí xử lý và cạnh tranh với phương pháp vứt bỏ chất thải. Một số thành phẩm tiềm năng đã được đánh giá bởi các nhóm quan tâm đến việc tái chế FRP, nhưng phần lớn là giá trị thấp, và phải cạnh tranh với các sản phẩm giá thành thấp, chất lượng cao.

Các giải pháp tiềm năng

Có 4 dạng tái chế cơ bản trong tài liệu này: cơ học, đốt thành tro (thiêu kết), nhiệt và hóa. Các phương pháp này được mô tả dưới đây.

1/ Giải pháp cơ học:

Phương pháp này liên quan đến việc cắt nhỏ và nghiền chất thải FRP để thành vật liệu nền cho một sản phẩm mới. Những lần thử trước tiên khi tái chế cơ học tập trung vào hai loại kích cỡ: loại kích cỡ thứ nhất là các mảnh nhỏ có kích thước từ ¼ đến 1 inch vuông. Các mảnh này được dùng như chất độn trong sản phẩm mới, chẳng hạn như trong tấm foam polyurethane. Loại kích cõ thứ hai là sản phẩm bột có kích cỡ nhỏ hơn 75 μm sao cho có thể sử dụng như vật liệu độn để giảm bớt hàm lượng nhựa trong sản phẩm. Một số nhà sản xuất FRP sử dụng chất độn khoáng như calcium cacbonat (CaCO₃) vì mục đích này.

Tái chế cơ học là phương pháp đơn giản và được chứng minh về kỹ thuật, nhưng nó có nhiều hạn chế. Bao gồm nguy cơ an toàn liên quan đến tái chế cơ học và giá thành thành phẩm thấp.

Tính an toàn là mối quan tâm nghiêm túc khi nghiền chất thải FRP, và vấn đề an toàn chủ yếu là hỏa hoạn. Mọi loại vật liệu nghiền đều tăng diện tích tiếp xúc với không khí. Chất thải FRP trở nên dễ cháy hơn khi ngiền nhỏ. Vấn đề này dựa trên dữ liệu là vật liệu FRP lưu hóa ở nhiệt độ trong phòng thừơng chứa lượng chất xúc tác vượt mức quy định. Lượng xúc tác này được giải phóng trong quá trình nghiền, có thể phản ứng với polymer tạo nên nhiệt và nguy cơ bốc cháy. Bất cứ hệ thống thiết bị nào được thiết kế để nghiền chất thải FRP cần tính đến vấn đề an toàn này.

Vấn đề thứ hai của tái chế cơ học là giá trị thành phẩm thấp. Các mảnh vụn sau khi nghiền phải cạnh tranh với vật liệu gia cường ban đầu chẳng hạn như sợi thủy tinh. Vật liệu tái chế có thể không đắt hơn vật liệu ban đầu, nhưng giá trị gia cường cũng kém hơn. Sự biến động của đặc tính sức bền của vật liệu tái chế làm giảm giá trị của chúng đối với nhà sản xuất.

Các hạt FRP có kích thước lớn hơn 75 μm sẽ phải cạnh tranh với chất độn khoáng. Nhược điểm chính của sản phẩm tái chế dưới dạng bột này là tính chất hóa học mâu thuẫn với vật liệu nền. Đặc biệt sản phẩm FRP chứa lượng chất xúc tác và/hoặc chất xúc tiến biến thiên. Điều này sẽ dẫn đến khó khăn nếu vật liệu này được thêm vào một hỗn hợp nhựa dễ bị tác động bởi các hóa chất này -xúc tác và xúc tiến – (chẳng hạn như sự lưu hóa sớm của nhựa trong thàng chứa hỗn hợp). Ngoài ra không thể đưa vào chất độn tái chế các chất độn khoáng có thể cung cấp tính chậm cháy và một số tính điều khiển khác. Các chất độn khoáng cũng cung cấp tính điều khiển chất lượng và làm tăng rất ít chi phí chế tạo FRP.

Có thể có một vài trường hợp chất thải FRP xử lý cơ học được sử dụng một cách kinh tế.

Nói chung cần đặt ra các câu hỏi sau đây khi cân nhắc sử dụng phương pháp tái chế cơ học:

            a/ Chất thải có thể được xử lý theo cách an toàn?

            b/ Quy trình sản xuất hướng tới tiêu thụ vật liệu tái chế có thể chịu được sự thay đổi lý tính và hóa tính của chất thải FRP?

            c/ Chi phí xử lý sản phẩm tái chế có thấp đáng kể so với chi phí vật liệu nó thay thế?

Nếu sản phẩm và quy trình có thể thỏa mãn 2 trong 3 câu hỏi trên thì sự tái chế cơ học sẽ có nhiều cơ hội thành công.

 2/ Giải pháp đốt cháy:

Một số tài liệu xem việc đốt cháy chất thải FRP là một phương pháp tái chế. Sự thiêu kết có được thừa nhận như là một phương pháp tái chế hay không đến nay vẫn là điều gây tranh cãi. Sự đốt cháy thu hồi lượng năng lượng của vật liệu thải, trong khi việc chôn lấp thì không. Sự ô nhiễm không khí từ đốt chất thải là hạn chế của phương pháp này. Hàm lượng sợi của vật liệu vẫn tồn tại, trở thành chất thải nguy hiểm tiềm năng tùy thuộc vào kết quả phân tích tro. Một số chất xúc tác/xúc tiến chứa kim loại như cobalt. Phương pháp đốt tận dụng sợi thủy tinh sẽ là nhiên liệu của lò nung xi măng. Trong trường hợp này vật liệu polymer sẽ cung cấp năng lượng cần thiết để tạo nên xi măng Portland, và sợi thủy tinh sẽ bổ sung silic cho hỗn hợp. Đang có sự tranh cãi gay gắt về ảnh hưởng đến môi trường do sử dụng lò nung xi măng như một chiến lược xử lý chất thải.

Phương pháp này phát triển nhất ở Nhật Bản nơi mà xử lý bằng chôn lấp đắt hơn nhiều so với ở Mỹ. Do hầu hết các sản phẩm FRP có tỉ lệ nhựa-sợi thấp, sự thu hồi năng lượng từ phương pháp này chưa thuyết phục.

3/ Giải pháp nhiệt phân:

Tái chế chất thải FRP bằng nhiệt, cũng được gọi là nhiệt phân, liên quan đến sự nung nóng vật liệu trong khí trơ để phục hồi vật liệu polymer như một sản phẩm dầu mỏ. Khí trơ không cho phép cháy, vì vậy sự ô nhiễm không khí thấp hơn phương pháp đốt cháy.

Sợi cũng có thể được thu hồi bằng phương pháp nhiệt phân nhưng ứng suất nhiệt sẽ tạo nên khuyết tật bề mặt làm giảm sức bền của sợi thu hồi. Dầu thu hồi có thể được sử dụng như nhiên liệu hoặc có thể được lọc để tái tạo nguyên liệu nhựa. Một số nghiên cứu cho thấy quá trình nhiệt phân có thể tự lực về nhiệt, nghĩa là sản phẩm khí từ nhiệt phân có thể được dùng để cung cấp lượng nhiệt cần thiết để phục hồi sản phẩm dầu. Sản phẩm dầu cho thấy có tổng giá trị calori tương đối cao, khoảng 40% giống xăng và 60% giống dầu. Bộ Năng lượng Mỹ đã tài trợ cho nghiên cứu lọc dầu nhiệt phân để tăng giá trị.

Trong lĩnh vực composite công nghệ này phù hợp nhất đối với các sản phẩm sợi các bon do vật liệu sợi các bon thu hồi có giá trị cao.

Nhiệt phân là công nghệ tiên tiến trong tương lai. Nhiều rào cản kỹ thuật và kinh tế cần được tháo gỡ trước khi nó trở thành trào lưu chủ đạo. Cũng như đa số các công nghệ, nhiệt phân phải tự chứng minh rằng trong lĩnh vực nào lợi nhuận thu được là cao nhất, trong lĩnh vực nào khối lượng vật liệu được xử lý sẽ đủ lớn để biện minh cho vốn đầu tư xây dựng nhà máy. Vì những nhân tố này, việc tái chế chất thải FRP không phải là một thí nghiệm khoa học về nhiệt phân ở Minnesota. Nếu công nghệ tiếp tục cải tiến, nhiệt phân có thể trở thành một phương pháp tái chế chất thải FRP tiềm năng khi so với các loại tái chế chất dẻo khác.

4/ Giải pháp hóa học

Phương pháp tái chế này sử dụng hóa chất để tách nhựa khỏi sợi. Khi sử dụng phương pháp hóa học sợi giữ lại được hầu hết sức bền nguyên thủy của chúng do không chịu ứng suất nhiệt như phương pháp nhiệt phân. Tuy nhiên phương pháp này yêu cầu phải nghiền chất thải thành hạt dẫn đến giảm chiều dài sợi, và còn sử dụng nhiều dung môi tiềm ẩn nguy hiểm. Tương tự phương pháp nhiệt phân, nhà máy tái chế theo phương pháp hóa học cần tập trung vốn. Điều này cộng với sự phân tán, số lượng chất thải FRP ở Minnesota không nhiều, làm cho công nghệ mới mẻ này thiếu sức thu hút.

[1] Fiberglass Reinforced Plastics Recycling, Kyle Bartholomew – Minnesota Technical Assistance Program; Xem tại đây: Fiberglass Reinforced Plastics Recycling

UNINSHIP