Nghiên cứu ứng dụng công nghệ oxy hoá trong muối nóng chảy (MSO) để xử lý chất thải plastic dạng PVC

Bộ Khoa học & công nghệ
Viện năng lợng nguyên tử việt nam




Báo cáo tổng kết khoa học và công nghệ đề tài

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



Chủ nhiệm đề tài: Trần thu hà












6364

07/5/2007



Hà Nội, 2006





1
Bộ khoa học và công nghệ
Viện năng lợng nguyên tử việt nam
__________________





Báo cáo tổng kết
đề tàI khoa học công nghệ cấp bộ
năm 2005-2006






nghiên cứu ứng dụng công nghệ
oxy hóa trong muối nóng chảy (mso) để xử lý

chất thảI plastic dạng pvc
(Mã số: BO/05/04-03)











Cơ quan chủ trì: Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân
Chủ nhiệm đề tàI : Trần Thu Hà






Hà Nội, tháng 11-2006


2
những ngời tham gia đề tài


STT
họ và tên Học hàm, học vị

chuyên môn
địa chỉ
1
2
3
4
5
6
7

Nguyễn Hồng Quý
Phạm Quốc Kỷ
Nguyễn Đình Thọ
Thái Văn An
Trịnh Đình Trờng
Nguyễn Quang Long
Vơng Thu Bắc



KS. CN Môi trờng
KTV. Hóa phân tích
KS. Cơ khí
KS. Luyện kim
KS. Điện tử hạt nhân
CN. Hóa phân tích
CN. Vật lý Hạt nhân
Viện KHKTHN
Viện KHKTHN
Công ty XD số 4

Viện Công nghệ
Viện KHKTHN
Viện KHKTHN
Viện KHKTHN



Các tổ chức phối hợp thực hiện đề tài





















3

Bảng từ viết tắt

Từ
viết
tắt
Giải thích Nguyên bản tiếng Anh
MSO
TOC
OTR
V
s

G
H

D
bmax

t
b

d
b

S
o

E
o

PE
DRE
CE

cps



oxy hóa trong muối nóng chảy
tổng các hợp chất hữu cơ
tốc độ khuếch tán oxy
vận tốc khí bề mặt
hệ số nghẽn khí
đờng kính của các bọt bền tối đa
thời gian lu bọt khí
đờng kính của bọt khí
lợng thức hóa học
lợng oxy d
hiệu quả của quá trình
hiệu quả phân hủy
hiệu quả cháy (oxy hóa)
hệ số tỉ lệ tơng đơng
số đếm trên một giây

molten salt oxidation
total organic carbon
oxygen transfer rate
superficial air velocity
gas holdup
maximum stable bubble diameter

resident time
bubble diameter
stoichimetric
excess air
process efficiency
destruction and removal eficiency
combustion efficicency
equivalent ratio
count per second

















4

Tóm tắt

Đ
ề tài:Nghiên cứu ứng dụng công nghệ oxy hóa trong muối nóng chảy (MSO)
để xử lý chất thải plastic dạng PVC nhằm đạt 3 mục tiêu. Xây dựng hệ thống MSO
qui mô phòng thí nghiệm với các thiết bị chủ yếu để tạo cơ sở cho việc đánh giá khả
năng phân hủy của công nghệ. Trên cơ sở các kết quả thu đợc qua quá trình xử lý thử
nghiệm chất thải PVC điển hình cho loại thải hữu cơ chứa clo, xây dựng qui trình vận
hành cho hệ thống MSO và đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ ở qui mô bán công
nghiệp.

Trong quá trình thiết lập cơ sở cho các nghiên cứu công nghệ, hệ thống thử
nghiệm MSO đã đợc hoàn chỉnh với việc điều chỉnh thay thế và bổ sung một phần
thiết bị trong hệ thống. Việc điều chỉnh lại hệ thống đợc chế tạo theo thiết kế lý
thuyết đã khắc phục đợc một số khiếm khuyết về phân bố vùng nhiệt, công tác nạp
thải và tháo muối nhằm đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật trong quá trình vận hành và các
tiêu chí khoa học trong nghiên cứu giải pháp MSO.

Các kết quả thử nghiệm đã chứng tỏ hiệu quả phân hủy clo gần nh tuyệt đối
của công nghệ MSO. Sự phát thải HCl và Cl
2
hầu nh không có hoặc không đáng kể
trong mọi điều kiện vận hành . Các kết quả cũng cho thấy sự phát thải HCl và Cl
2
phụ
thuộc vào thời gian lu thải trong vùng phản ứng chứa muối lỏng và bản chất của môi
trờng muối nóng chảy. Trong khi công nghệ MSO chứng tỏ hiệu quả rất cao khi xử lý
clo thì với tính chất cố hữu của công nghệ sự phát thải CO lớn là một vấn đề cần có các
biện pháp tích cực giải quyết nó.

Các thử nghiệm cũng đã đợc thực hiện trong cả hai môi trờng muối đơn
(Na

2
CO
3
) và hỗn hợp muối nóng chảy (Na
2
CO
3
K
2
CO
3
). So sánh các kết quả thử
nghiệm tại hai môi trờng khác nhau cho thấy khả năng giảm chi phí vận hành do tiết
kiệm đợc năng lợng cung cấp cho quá trình khi sử dụng hỗn hợp muối nóng chảy
trong công nghệ MSO.

Dựa trên các thông số vận hành và kết quả khảo sát hiệu quả khoa học của công
nghệ nói chung và của hệ thống thử nghiệm nói riêng, qui trình vận hành có tính chất
hớng dẫn đã đợc thiết lập.

Từ các kết quả nghiên cứu đã có thể đánh giá sơ bộ khả năng ứng dụng của
công nghệ MSO để xử lý các chất thải hữu cơ chứa clo ở qui mô bán công nghiệp.






5

Abstract

The project:” Study on application of molten salt oxidation (MSO) for PVC
plastic wastes treatment” should aim three followings. Installation of lab-scale MSO
unit with essential compositions builds up foundation for the estimation of waste
destruction efficiency of the technology. Based on the results of testing PVC - the
chlorinated organic wastes on the lab-scale unit, the ability of the technology
application at pilot-scale level will be primary estimated.

The adjustment and correction of some compositions in the lab-scale unit
theoretically designed during experiment overcame the shortages by design and
fabrication such as heat distribution regime, feeding wastes and draining spent salt.
These solutions adapt to the technical requirement of operation as well as scientific
requirement of the research on MSO process.

PVC waste treatment was tested on the MSO lab-scale unit in different
conditions of operation temperature, superficial air velocity related to air/oxygen
feeding rate, waste feeding rate. The testing results showed that destruction efficiency
of chlorine in MSO technology is almost absolute. HCl and Cl
2
emission was
insignificant in different operation conditions. HCl and Cl
2
emission depend on
resident time and nature of molten salt. However, with inherent attributes of MSO
technology emission of CO is not avoided in processing waste treatment. Therefore,
finding out active solutions for reduction CO emission is essential to complete the
technology.

The experiments also were carried in conditions of single molten salt (Na
2
CO
3
)
and molten (Na
2
CO
3
– K
2
CO
3
) eutectic. The comparison of efficiency of these tests
gives idea of using molten salt eutectic to reduce operation cost in MSO technology.

Based on operation parameters and scientific verification results during
experiments, the introductory procedure of waste treatment by MSO process was built
up. Thereby primary estimation of development of the technology in pilot-scale was
given.








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 hởng 12
đến hiệu quả phản ứng trong quá trình mso
i.5/ các kết quả thực nghiệm ở nớc 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 đợc 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 lợng 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 trờng 31
muối đơn nóng chảy.
II.3.1.1/ Xác định đặc trng của chất thải 31
II.3.1.2/ Qui trình thử nghiệm và phơng pháp đo 32
II.3.1.3/ Kết quả và bình luận 35
II.3.2/ Thử nghiệm xử lý PVC trong môi trờng 41
hỗn hợp muối nóng chảy.
II.3.2.1/ Qui trình thử nghiệm và phơng 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 trờng 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 lợng chất thải ngày càng gia tăng và
điều này dẫn đến sự gia tăng về khả năng gây ô nhiễm cao cho môi trờng. Các chất
thải có tiềm năng gây ô nhiễm cao cho môi trờng 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 lợng 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 đợc hiện đại hóa, lợng 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 nớc ta chi khoảng 100 triệu US$ để
nhập khẩu một lợng thuốc bảo vệ thực vật khoảng 6500 - 9000 tấn dới dạng thành
phẩm hoặc nguyên liệu. Con số trên cha tính đến còn có một lợng 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 nớc ta có khoảng 26 kho thuốc bảo vệ thực vật tồn đọng quá hạn sử
dụng và lợng 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. Lợng các chất thải kể trên chiếm một tỉ lệ khá cao.
Ví dụ lợng 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; lợng 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 cha đợc 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 đợc sử
dụng trong y tế nhiều nhất. Hiện tổng số lò đốt sử dụng trong y tế là 51 trong đó có 47
lò đợc nhập khẩu. Hầu hết các lò đốt ngoại đều không đợc 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 thờng nhng
khống chế đối với thải nguy hại. Các chất thải rắn nguy hại trong công nghiệp chủ yếu
đợc cất giữ tạm thời để chờ xử lý. Một vài nơi sử dụng lò đốt rác cho chất thải công
nghiệp nhng 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. Hớng 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 phơng pháp truyền thống có hiệu quả cao để xử lý các chất thải là phơng
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 lợng, 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 đợc đốt. Mặc dù lò đốt là biện pháp xử lý chất thải nhng nó cũng có thể biến
thành một nguồn phát thải vào môi trờng 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 đợc quá trình cháy, không kiểm soát đợc dòng phát thải ra bên ngoài. Sự
gây ô nhiễm môi trờng từ các lò đốt có thể là các hạt bụi, các oxit ni tơ, lu 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 trờng 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 đợc coi nh giải pháp hữu hiệu trong tơng lai,
công nghệ oxy hóa trong muối nóng chảy (MSO) đã chứng tỏ có nhiều u điểm vợt
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 lợng nhỏ thải thứ cấp không nguy hại. Môi trờng trong
quá trình MSO là môi trờng 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
đợc 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
dới đây [2]:

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

Quá trình vận hành của hệ thống (H. 1) gồm các bớc cơ bản sau đây: các chất
thải đợc xé nhỏ và đợc nạp vào dới 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 đợc đẩy vào lò bởi một dòng khí mà nó
cũng có mục đích cung cấp oxy cho quá trình oxy hóa. Lớp muối đợc gia nhiệt trớc
khi khởi động lò; khi lò đang ở chế độ vận hành thì nhiệt lợng 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. đợc 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
đợc tạo thành nh sunfat, phốt phát, và clorua.

Khí thải đợc chuyển qua một van đổi hớng 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 trớc khi phát thải ra khí quyển. Trong hệ thống này không cần thiết có các thiết bị
rửa axit do các thành phần axit đợc hấp thụ bởi muối kiềm nóng chảy.

11

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

Các muối nóng chảy đã sử dụng có thể đợc tái chế bằng các biện pháp rửa bởi
nớc và axit, tiếp theo là kết tủa. Việc sử dụng lại các muối đợc 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 đa vào trong quá
trình đợc nhiệt phân ở nhiệt độ >400
o
C. Môi trờng trong hệ thống oxy hoá muối
nóng chảy là môi trờng 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 trờng lỏng tạo ra sự tơng 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 đợc trung hòa bởi môi trờng
kiềm. Hầu hết các hạt bụi lớn đều đợc 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 đợc phân hủy gần nh tuyệt đối .

4) Quá trình muối nóng chảy cung cấp một môi trờng truyền nhiệt ổn định với một

lợng nhiệt thích hợp để chống lại sự xung nhiệt. Một môi trờng nhiệt nh vậy đảm
bảo đợc 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 đợc thực hiện hoàn toàn.

5) Nhiệt độ trong môi trờng MSO thấp hơn nhiều so với lò đốt nên sự phát ra NO
x

đợc giảm đáng kể; tiết kiệm đợc năng lợng và do đó làm giảm chi phí đầu t cũng
nh vận hành.

6) Môi trờng trong MSO là môi tròng lỏng nên giữ lại hầu hết các bụi lớn. Do không
cần có nhiên liệu phụ trợ nên lợng 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 dỡng không
cao.

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

1) Vật liệu chế tạo lò phản ứng là loại vật liệu phải chịu đợc nhiệt độ cao và sự ăn
mòn của môi trờng 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 lợng nớc cao cần phải đợc 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 trớc, 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 đợc thực hiện trong nhiều phòng thí nghiệm trên nớc 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 đợc làm bằng vật liệu đặc biệt
(Inconel 600) có thể chịu đợc tốc độ ăn mòn lớn trong môi trờng 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 đợc 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
trớc khi đợc thải ra ngoài môi trờng. 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 trớc khi đợc thải ra môi trờng và có thể sử dụng lại để làm giảm
lợng 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 đợc thu thập. Hầu hết các thành phần khí thải ra đã đợc
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 hởng của hai yếu tố này đến hiệu quả phân hủy
không nh nhau. ảnh hởng của nồng độ clo trong muối đến sự phát thải CO không
thấy rõ nh ảnh hởng 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,

13
ethylene glycol, dimethyl sulforide, trimethyl phosphate, trichloroethylene và freon với
hiệu quả rất cao. Tổng lợng các bon hữu cơ (TOC) trong khí thải <1,0ppm, nồng độ
NO
x
khoảng 60 ppm điều này có khả năng đây chỉ là các vết của các hợp chất chứa
nitơ. Khoảng 45% nitơ trong hợp chất hữu cơ đợc chuyển đổi thành NO
x
.

[4] Năm 2002, một nhóm nghiên cứu của trờng Đại học Maryland (Mỹ) cũng
đã công bố thành công xử lý thử nghiệm chất thải clorua benzen trên hệ thống MSO.
Trong toàn bộ 57 thử nghiệm với các thông số vận hành khác nhau về nhiệt độ, lợng
oxy cấp vào, tốc độ nạp thải, chiều cao cột muối nóng chảy, các kết quả cũng chỉ ra
không phát hiện thấy HCl và các chất hữu cơ chứa clo trong khí thải từ lò phản ứng.

Các sản phẩm phụ sau xử lý là CO, CH
4
, C
2
H
4
và C
2
H
6
có nồng độ thay đổi phụ thuộc
chủ yếu vào nhiệt độ vận hành và mức độ cấp oxy. Sự phát ra các chất thải thứ cấp nói
trên giảm khi tăng nhiệt độ vận hành và mức độ hòa trộn oxy vào chất thải ban đầu.

Từ năm 2001 Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Kỹ thuật Hóa Hạt nhân thuộc Viện
Năng Lợng Nguyên tử Hàn Quốc (KAERI) cũng bắt đầu nghiên cứu công nghệ MSO.
Các kết quả thử nghiệm của nhóm nghiên cứu Hàn Quốc về MSO trong năm 2003 và
2004 một lần nữa đã khẳng định về tính u việt vợt trội của công nghệ này trong quá
trình xử lý các chất thải nguy hại, hữu cơ chứa clo và chất thải pha trộn. [5] Các chất
thải PVC, PP, PTFE và nhựa trao đổi ion cùng với một số kim loại nh Cd, Pb, Cr, Cs
đã đợc đa vào trong một lò phản ứng hình trụ Inconel 600 để phân hủy bằng quá
trình oxy hóa trong muối nóng chảy. Đặc biệt là đối với chất thải PVC, đã đợc biết là
nguồn đóng góp một khối lợng lớn vào sự phát ra các chất hữu cơ chứa clo từ quá
trình xử lý trong lò đốt rác. Nhng các kết quả thử nghiệm xử lý PVC trên hệ thống thử
nghiệm của nhóm nghiên cứu MSO tại KAERI đã cho thấy hàm lợng HCl phát thải
không vợt quá 5ppm và không phát hiện ra các phân tử clo tự do trong suốt quá trình
thử nghiệm.

Sau khi thử nghiệm một số chất thải hữu cơ chứa clo trên hệ thống MSO - lò
đơn, một nhận định là do đặc thù của công nghệ nên thời gian lu thải ít và nhiệt độ

tơng đối thấp dẫn đến sự phát thải CO còn cao (trang 126, Tạp chí:" Journal of
Nuclear Science and Technology, Vol. 42, No.1, pp123-129, January 2005). [6] Để
làm giảm sự phát thải CO, năm 2004 nhóm nghiên cứu của KAERI đã thiết lập thêm
một lò thứ cấp trong hệ thống thử nghiệm MSO nhằm tăng thời gian phản ứng chuyển
hóa CO thành CO
2
và có thể tăng nhiệt độ phản ứng cho quá trình oxy hóa tiếp theo
chất thải sau khi ra khỏi bề mặt chất lỏng. Trong hệ thống MSO - lò đôi, nhiệt độ của
lò sơ cấp đợc đa vào thử nghiệm là từ 700-900
o
C, và nhiệt độ của lò thứ cấp là từ
900-950
o
C. Kết quả đã cho thấy hàm lợng CO giảm hẳn sau khi ra khỏi lò thứ cấp.

I.4/ cơ sở khoa học của các yếu tố ảnh hởng đến hiệu quả
phản ứng trong quá trình Mso

Công nghệ MSO là một công nghệ dựa trên các quá trình phản ứng giữa các
chất với oxy trong môi trờng muối nóng chảy. Môi trờng nhiệt trong công nghệ

14
MSO là muối kiềm nóng chảy (mà thờng đợc lựa chọn là muối Na
2
CO
3
). Thực chất
của giải pháp oxy hóa trong muối nóng chảy để xử lý các chất thải hữu cơ là làm biến
đổi các chất hữu cơ thành các chất vô cơ và các chất vô hại do sự nhiệt phân có sự tham
gia của oxy. Trong quá trình MSO các chất cùng với oxy đợc cấp vào dới đáy của

một thùng hình trụ mảnh chứa Na
2
CO
3
nóng chảy. Sự tơng tác giữa oxy và các chất
diễn ra trong toàn bộ chiều cao của cột chất lỏng. Các chất oxy hóa và bị oxy hóa sẽ
dâng lên trên ở dạng các bọt bong bóng. Điều này có nghĩa là quá trình phản ứng oxy
hóa trong công nghệ MSO tơng tự nh quá trình trong cột lỏng sủi bọt khí cột sủi
bọt (bubble column).

[7] Bản chất của quá trình trong cột sủi bọt là khi mức độ hòa trộn giữa pha khí
và lỏng đủ lớn thì quá trình khuếch tán oxy từ pha khí đến pha lỏng là quá trình chuyển
động các phân tử oxy xuyên qua lớp bao của bọt khí đi vào pha lỏng để tiếp xúc với
các chất tham gia phản ứng oxy hóa.

Hiệu quả của quá trình oxy hóa dựa trên mức độ khuếch tán oxy từ pha khí sang
pha lỏng thông qua sự sủi bọt. Thông số đánh giá khối lợng oxy đi vào pha lỏng đợc
biểu thị bằng tốc độ khuếch tán oxy OTR:

OTR = k
l
a(C
o
*
- C
o
) (1)

Trong dó: C
o

là nồng độ của oxy đã hòa tan trong khối chất lỏng.
C
o
*
là nồng độ của oxy tại lớp bao bọt khí.
k
l
là hệ số truyền khối qua lớp bao bọt khí.
a là diện tích bề mặt tiếp xúc giữa hai pha khí- lỏng.

Do không thể đo đợc chính xác diện tích của bề mặt tiếp xúc (a) giữa 2 pha,
ngời ta kết hợp tích số của 2 thông số k
l
a là đại diện cho tốc độ khuếch tán oxy trên
một đơn vị thể tích. Để làm tăng tham số a có thể tăng dòng không khí vào lò phản ứng
hoặc cũng có thể giảm kích thớc bọt khí hay của các chất.

Theo công thức (1) một thông số nữa ảnh hởng đến OTR là C
o
*
. Khi nồng độ
của oxy trên bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha tăng thì rõ ràng là lợng oxy có khả năng đi
vào pha lỏng tăng lên. C
o
*
đợc tính theo công thức dới đây:

C
o
*

= P
o
/ H
o
(2)

Trong đó: H
o
là hằng số Henry phụ thuộc tỉ lệ thuận với nhiệt độ của môi trờng.
P
o
là áp suất riêng phần của oxy trong pha lỏng.

Nếu nhìn vào (2) có thể suy ra rằng C
o
*
sẽ tăng khi giảm nhiệt độ môi trờng và
tăng P
o
. Các biện pháp làm tăng áp suất riêng phần của oxy để tăng C
o
*
là sử dụng oxy
nguyên chất hoặc làm tăng áp suất tĩnh P
b
của cột chất lỏng. Và điều này phụ thuộc
vào chiều cao của cột chất lỏng hay nói cách khác chiều cao của lò phản ứng theo công

15
thức: P

b
= g h + 1 at. (ở đây h là chiều cao của cột chất lỏng, là tỉ trọng của chất
lỏng, g là gia tốc trọng trờng).

Tóm lại chiều cao của cột chất lỏng và nhiệt độ môi trờng có ảnh hởng đến
OTR của quá trình. Tuy nhiên việc tăng chiều cao cột chất lỏng hay giảm nhiệt độ của
môi trờng không có nghĩa là hoàn toàn có lợi cho hiệu quả của quá trình oxy hoá.
Điều này sẽ đợc xem xét thêm dới đây.

Một yếu tố nữa cũng ảnh hởng đến hiệu ứng khuyếch tán pha khí vào pha lỏng,
đó là vận tốc khí bề mặt V
s
của dòng khí trong lu thể. Nói một cách chính xác V
s
là
vận tốc của bọt khí chuyển động dâng lên trong cột chất lỏng. Sự tăng vận tốc V
s
dẫn
đến tăng sự chuyển động hỗn loạn trong môi trờng phản ứng và do đó tăng sự hòa
trộn của pha khí theo cả hai hớng- hớng trục và hớng tâm. Tuy nhiên các nghiên
cứu thực nghiệm về động học trong lò phản ứng MSO [8] cho thấy rằng: sự tăng tiếp
theo của V
s
>0,15m/s khiến cho dòng sinh ra hiện tợng giống nh dòng bị nút làm
giảm sự hình thành liên tục các tiểu xoáy trong môi trờng lỏng kết quả là làm yếu sự
khuyếch tán theo hớng trục. Các tiểu xoáy có tác dụng làm tăng sự tơng tác liên tục
giữa các nguyên tố trong dòng và do đó làm tăng sự hòa trộn pha trong hệ thống đa
pha. Nh vậy tại điều kiện vận tốc V
s
>0,15m/s hiệu ứng khuyếch tán của pha khí

không tăng lên với sự tăng hơn nữa của vận tốc khí do hiện tợng tơng tự nh dòng bị
nút trong lò phản ứng MSO.

Nh đã nói ở trên quá trình khuếch tán oxy thông qua cơ chế sủi bọt. Các bọt
khí đợc tạo thành sẽ chiếm chỗ trong lòng chất lỏng và dâng lên tới bề mặt thoáng của
chất lỏng. Mức độ phân bố các bọt khí (pha khí) trong pha lỏng ảnh hởng đến quá
trình phản ứng. Ngời ta đa ra một đại lợng để biểu thị cho mức độ phân bố của pha
khí trong pha lỏng bằng một thông số G
H
đợc gọi là hệ số nghẽn khí. Thông số này
đợc đo bằng tỉ số giữa thể tích của phần pha khí chiễm giữ so với thể tích của phần
pha lỏng. Thông số G
H
cũng đợc đo dựa trên hiệu số áp suất theo chiều cao của lò
phản ứng và mật độ pha khí và pha lỏng trong dòng do sự phân bố khác nhau của pha
khí trong pha lỏng. Và bởi vì ngời ta mong muốn tăng sự phân bố của pha khí vào pha
lỏng do đó G
H
là một yếu tố quan trọng cần thiết để làm tăng tối đa sự khuếch tán oxy.
Tuy nhiên đại lợng G
H
quá lớn hay nói cách khác thời gian lu t
b
của các bọt quá lớn
lại gây bất lợi cho quá trình. Điều này là vì nếu chiều cao cột chất lỏng quá lớn tức là
G
H
tăng và kéo theo t
b
tăng lên nhiều thì các phân tử phía trên gần bề mặt sẽ bị đói

oxy và do đó quá trình khuếch tán oxy sẽ giảm.

Đại lợng G
H
và t
b
còn chịu ảnh hởng của kích thớc bọt d
b
đặc biệt là trong
môi trờng có độ nhớt nh môi trờng muối nóng chảy. Các bọt nhỏ có khuynh hớng
dâng lên chậm hơn so với các bọt lớn và do đó làm tăng thời gian lu t
b
của bọt và hệ
số nghẽn khí G
H
. Các thực nghiệm cho thấy trong môi trờng có độ nhớt kích thớc
của bọt >3mm đợc a chuộng hơn các bọt nhỏ.


16
Hệ số nghẽn khí G
H
cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và độ nhớt của môi trờng.
Các nghiên cứu đã cho thấy khuynh hớng tăng lên của G
H
với nhiệt độ là do khuynh
hớng giảm sức căng bề mặt và độ nhớt của môi trờng muối khi nhiệt độ tăng trong lò
phản ứng. Mặt khác cũng có thể giải thích sự tăng của G
H
cùng với sự tăng nhiệt độ có

thể là do sự giảm kích thớc của các bọt bền vững tối đa D
bmax
. Nhiệt độ tăng làm cho
quá trình phân rã các bọt khí tăng nhanh theo hàm số mũ, kết quả làm giảm D
bmax
. Do
D
bmax
tỉ lệ nghịch với độ nhớt và tỉ lệ thuận với mật độ của môi trờng lỏng nên khi
nhiệt độ tăng dẫn đến mật độ của pha lỏng tăng. Mật độ của pha lỏng tăng sẽ làm tăng
lực nâng tác động lên các bọt khí kết quả sẽ gây ra sự tăng của G
H
. Nh vậy trên quan
điểm tính đến yếu tố hệ số nghẽn khí G
H
thì nhiệt độ tăng lại có lợi cho quá trình phản
ứng theo cơ chế sủi bọt.

Tóm lại từ hai cơ sở phân tích trên có thể nhận định rằng các yếu tố ảnh hởng
đến cơ chế phản ứng trong quá trình MSO là yếu tố chiều cao cột chất lỏng, nhiệt độ
phản ứng, vận tốc khí bề mặt mà liên quan đến tốc độ nạp không khí và lợng không
khí đợc cấp vào. Tuy nhiên các yếu tố ảnh hởng này lại cần phân tích để lựa chọn ra
các thông số vận hành tối u cho công nghệ MSO.

I.5/ các kết quả thực nghiệm trên hệ thống mso ở nớc ngoài
và các giả thuyết phân tích quá trình mso.

I.5.1/ Kết quả thử nghiệm của phòng thí nghiệm Đại học Maryland, Mỹ.

Báo cáo kết quả xử lý thử nghiệm clorua benzen (C

6
H
5
Cl) trên hệ thống MSO
của trờng Đại học Maryland đã có kết luận về khả năng phân hủy rất cao clo của công
nghệ oxy hóa trong muối nóng chảy. Họ nhận định rằng trong quá trình oxy hóa
C
6
H
5
Cl thông thờng, HCl là sản phẩm chủ yếu đợc phát hiện ra. Nhng khi xử lý
C
6
H
5
Cl trên hệ thống MSO thì không phát hiện ra bất cứ một sản phẩm nào chứa clo.
Điều này chứng tỏ rằng toàn bộ clo chứa trong chất thải đã đợc hấp thụ trong môi
trờng muối nóng chảy. Họ cho rằng clo đã đợc hấp thụ bởi các phản ứng bề mặt của
sự oxy hóa trong môi trờng kiềm hoạt hóa cao. Báo cáo cũng cho rằng do không phát
hiện đợc bất kỳ sản phẩm nào chứa clo trong dòng phát thải nên có thể sự hấp thụ trực
tiếp clo trong mạch liên kết với chất thải bởi muối kiềm là một phản ứng quan trọng
thậm chí chiếm u thế trong sự oxy hóa chất thải. Và kết luận này là cơ sở để giải thích
đúng cho quá trình MSO đối với các chất thải chứa clo khác (trang 54, Báo cáo:
Thermal Treatment of Chlorobenzen using Molten Salt Oxidation)

Bên cạnh nhận định về khả năng xảy ra trong quá trình phân hủy clo, nhóm
nghiên cứu cũng đã đa ra các phân tích về kết quả đo đạc các sản phẩm phụ khác nh
CH
4
, C

2
H
4
, C
6
H
6
và CO trong dòng khí thải. Qua thực nghiệm và nghiên cứu, một nhận
xét rằng sự tạo thành các sản phẩm trên trong quá trình đốt clorua benzen có ngọn lửa
khác với quá trình MSO. Sự tạo thành CH
4
, C
2
H
2
đợc quan sát thấy tại nhiệt độ từ 400-
700
o
C trong quá trình oxy hóa có ngọn lửa. Ngợc lại trong quá trình MSO sự tạo
thành CH
4
, C
2
H
4
, C
6
H
6
và CO lại đợc phát hiện tại nhiệt độ cao lên đến 1000

o
C (trang

17
41, Báo cáo: Thermal Treatment of Chlorobenzen using Molten Salt Oxidation). Từ
đó có thể dự đoán rằng sự tạo thành CO có liên quan đến sự hiện diện clo trong môi
trờng muối nóng chảy (điều này đã đợc Rockwell và LLNL khẳng định trong các kết
quả nghiên cứu của họ). Kết quả đo đạc cũng chỉ ra sự phát thải các sản phẩm cha
đợc oxy hóa hoàn toàn trong đó có CO sẽ giảm khi tăng nhiệt độ và tăng mức độ hòa
trộn của oxy vào chất thải (trang 43, Báo cáo: Thermal Treatment of Chlorobenzen
using Molten Salt Oxidation).

I.5.2/ Kết quả thực nghiệm của phòng thí nghiệm MSO ở KAERI, Hàn Quốc.

Kết quả thực nghiệm của phòng thí nghiệm MSO ở KAERI rất tơng dồng với
các kết quả nghiên cứu của các phòng thí nghiệm ở Mỹ. Một giả thuyết về khả năng
loại trừ axit HCl và Cl
2
ra khỏi dòng phát thải từ công nghệ MSO là đặc trng quan
trọng của công nghệ này khi sử dụng muối cacbonat natri bởi sự giữ lại các khí axit
trong môi trờng muối theo phản ứng sau (trang716, Tạp chí The Canadian Journal of
Chemical Engineering, Vol.81, June-August 2003)

C
a
H
b
X
c
+ (C/2)Na

2
CO
3
+(a+ (b-c)/2) O
2
(a+c/2) CO
2
+ b/2H
2
O + NaX

Các số liệu thử nghiệm của nhóm nghiên cứu này một lần nữa lại chứng minh
cho giả thuyết mối quan hệ giữa hàm lợng clo đa vào quá trình với sự phát thải CO.
Mặt khác họ cho rằng sự phát thải CO liên quan đến hàm lợng chất dễ bay hơi đợc
chứa trong thải. Điều này thấy rõ khi so sánh sự phát thải CO trong 2 quá trình xử lý
PVC và xử lý cao su. Khi xử lý PVC (với hàm lợng clo>46%, hàm lợng chất dễ bay
hơi chiếm >90%) sự phát thải CO thay đổi rất lớn với thời gian và nồng độ tại đỉnh
điểm rất cao lên đến 3000ppm. Trong khi đó, sự phát thải CO ổn định hơn với thời gian
và nồng độ thấp hơn nhiều (đỉnh điểm <1500ppm) từ quá trình xử lý cao su (với hàm
lợng chất dễ bay hơi chiếm 25,7%, hàm lợng cố định cacbon chiếm 74,3%). Báo cáo
đã nhận định đây là một đặc tính quan trọng của công nghệ MSO (trang 715, Tạp chí
The Canadian Journal of Chemical Engineering, Vol.81, June-August 2003). Quá
trình oxy hóa trong môi trờng muối nóng chảy phụ thuộc cả vào bản chất của chất
thải. Trong một báo cáo khác về các kết quả thực nghiệm nhựa trao đổi ion trên hệ
thống MSO lò đôi, cũng đa ra kết luận về sự phát thải CO giảm khi tăng nhiệt độ và
tăng lợng oxy d E
o
vào quá trình.

I.5.3/ Kết quả thực nghiệm của phòng thí nghiệm LLNL, Mỹ

Nh mục I.2 đã nêu, các kết quả thực nhgiệm của LLNL cũng đã đa ra kết luận
về khả năng phân hủy rất cao các hợp chất hữu cơ của công nghệ MSO. Kết quả của họ
cũng cho thấy sự ảnh hởng rõ rệt của nhiệt độ đến nồng độ CO trong khí thải. Một
báo cáo khác về xử lý thử nghiệm các chất thải pha trộn có nồng độ clo rất cao (80%)
đã đa ra ý kiến về một yếu tố ảnh hởng lớn đến sự phát thải CO là lợng không khí
cấp vào [9]. Sự phát thải CO ở đây khi xử lý methylchlorofon lên đến 10.000ppm khi
lợng không khí cấp vào bằng với lợng lý thuyết S
0
. Nhng với lợng không khí đa

18
vào lớn hơn 20% so với S
0
(nghĩa là lợng không khí d E
o
= 20%) thì nồng độ CO
giảm trong khoảng từ 2000ppm trở xuống. Điều này cho thấy sự phát thải CO trong
công nghệ MSO là một vấn đề. Tuy nhiên trong hệ thống MSO này khí thải chứa CO
với nồng độ cao đợc tiếp tục đa đến hệ xúc tác để chuyển hóa CO do đó nồng độ
cuối cùng của CO đợc thải ra môi trờng đã giảm xuống <100ppm.

Tóm lại các kết quả thử nghiệm trên thế giới đã cho thấy quá trình trong MSO
rất khác biệt với quá trình đốt thông thòng. Các khí axit HCl không ngự trị trong dòng
khí thải, sự phát thải CO giảm khi tăng nhiệt độ vận hành. Điều này có thể là do các
phản ứng bề mặt trong môi trờng kiềm hoạt hoá lớn; sự hiện diện của clo trong môi
trờng muối nóng chảy. Một giả thuyết khác cho rằng hiệu quả truyền nhiệt cao trong
môi trờng phản ứng ảnh hởng đến sự phát thải CO. Khi khảo sát lò đốt rác tầng sôi,
với hiệu quả truyền nhiệt cao hơn lò đốt khác, nồng độ CO tại nhiệt độ vận hành 700
o

C
cao hơn tại nhiệt độ từ 800-900
o
C. Do đó họ cho rằng ảnh hởng của hiệu quả truyền
nhiệt đến hiệu quả cháy rất lớn khi nhiệt độ vận hành >700
o
C.

I.6/ mục tiêu của xử lý thử nghiệm PVC trên hệ thống MSO

Polyvinyl clorua (PVC) là một dạng cao phân tử tổng hợp đợc tạo ra bởi các
liên kết hóa học giữa các monome vinyl clorua (C
2
H
3
Cl: CH
2
=CHCl). Các monome
vinyl clorua đợc điều chế từ etylen thuộc dãy đồng đẳng aken là các hydro cacbua
cha no có liên kết đôi C=C. Phản ứng thế clo vào hydro trong etylen tiến hành ở nhiệt
độ cao (200-600
o
C) cho sản phẩm vinyl clorua. PVC là một loại chất dẻo (plastic) chủ
yếu chứa clo (có thể lên đến >50%) và một số các chất phụ gia để tăng độ mềm dẻo
của vật liệu.

Các sản phẩm đợc chế tạo từ PVC đã rất thông dụng trong hàng thập kỷ qua
trên toàn thế giới. ở Việt Nam, các sản phẩm bằng PVC đợc sử dụng trong xây dựng,
công nghiệp và y tế. Do các tính chất hóa học của clo nên PVC đợc coi nh là tiềm
năng gây nguy hiểm cho con ngời. Đặc biệt khi PVC đợc đốt, các sản phẩm phụ của

quá trình đốt luôn có yếu tố tạo thành các chất gây ung th và nguy hiểm cho con
ngời cả đến thế hệ sau.

Các chất thải từ các vật dụng bằng PVC đợc liệt vào các chất thải đặc biệt nguy
hại bởi chứa nhiều clo và khó xử lý triệt để. Việc xử lý PVC trong các hệ thống lò đốt
có tiềm năng sinh ra dioxin/furan. Các kết quả thử nghiệm và thống kê đã chỉ ra sự
đóng góp của quá trình xử lý PVC vào việc phát ra dioxin từ các lò đốt chiếm u thế so
với các quá trình xử lý các chất thải plastic khác. Nồng độ dioxin phát ra từ quá trình
đốt PVC lớn gấp 10 lần so với các quá trình đốt PS, PE, PTEF v.v. Các nghiên cứu thực
nghim đã chứng minh rằng không thể xử lý triệt để chất thải PVC trên hệ thống lò đốt
do không thể phân hủy hết clo đợc chứa trong thải. Trong quá trình đốt PVC, sự phân
hủy diễn ra 2 giai đoạn. Trớc tiên các sản phẩm đợc thoát ra là khí axit clohyđric
(HCl) và có thể một phần các phân tử clo (Cl
2
) tự do. Các sản phẩm chứa clo sau đó có
thể phản ứng với các hyđrocacbua để tạo thành các chất tiền tố của dioxin/furan.

19

Công nghệ MSO đã đợc khẳng định không sinh ra dioxin/furan khi xử lý các
chất thải chứa clo do khả năng phân hủy gần nh tuyệt đối clo. Vì vậy việc lựa chọn
chất thải PVC làm đối tợng xử lý thử nghiệm sẽ có tính thuyết phục rất cao khi khẳng
định u điểm vợt trội này của công nghệ MSO.

Để đánh giá u điểm vợt trội của công nghệ MSO cần thiết đánh giá khả năng
phân hủy clo của công nghệ thông qua nồng độ HCl và Cl
2
đợc phát thải trong quá
trình. Hiệu quả phân hủy clo của quá trình (PE) đợc xác định theo công thức sau
[10]:

PE = DRE = 1 -
v
r
M
M
x !00%. (3)
Trong đó: M
r
và M
v
là nồng độ các chất hiện diện trong dòng khí ra và dòng thải
đợc nạp vào tơng ứng,

Nồng độ clo vào và ra khỏi hệ thống đợc xác định bằng các biện pháp đo các
mẫu thải đợc nạp vào và mẫu khí ra cùng với tính toán dựa theo công thức hợp chất
của clo.

Một mục tiêu nữa khi đánh giá công nghệ là đánh giá hiệu quả xử lý hay còn
gọi là hiệu quả cháy (CE) của công nghệ đối với chất thải nguy hại hữu cơ dựa trên khả
năng biến đổi hoàn toàn hay không hoàn toàn CO thành CO
2
. Nồng độ cacbon chứa
trong chất thải đợc oxy hóa trong quá trình đốt thành CO và CO
2
. Nếu quá trình oxy
hóa xảy ra hoàn toàn tức là hiệu quả cháy gần nh tuyệt đối khi toàn bộ nồng độ các
bon đợc oxy hóa thành cacbonic. Điều này phụ thuộc vào điều kiện vận hành (nhiệt
độ, nồng độ oxy) và bản chất của chất thải. Hiệu quả cháy CE đợc xác định nh sau:

CE =
COCO
CO
CC
C
+
2
2
x 100% (4)

Trong đó: CE là hiệu quả tạo thành CO
2
so với CO; C
CO2
và C
CO
là nồng độ
cacbonic và oxit cacbon trong khí thải tính bằng g/phút.

Tuy nhiên trong khuôn khổ của đề tài do không thể xác định chính xác hàm
lợng của clo chứa trong thải và không đo đạc đợc CO
2
nên việc đánh giá hiệu quả
phân hủy clo cũng nh đánh giá hiệu quả oxy hóa sẽ chỉ đợc dựa trên sự khảo sát hàm
lợng phát thải HCl, Cl
2
và CO ra ngoài môi trờng.

II/ Mục tiêu và nội dung của đề tài

Nh trên đã giới thiệu công nghệ oxy hóa trong muối nóng chảy (MSO) đã đợc
thẩm định và có kết luận dựa trên hàng trăm kết quả nghiên cứu thử nghiệm hàng loạt
các loại chất thải nguy hại khác nhau trong các phòng thí nghiệm trên thế giới. Để ứng

20
dụng công nghệ tiên tiến, an toàn với môi trờng vào lĩnh vực xử lý chất thải ở Việt
Nam cần có một chơng trình nghiên cứu nghiêm túc nhằm: (1) thẩm tra lại hiệu quả
khoa học của công nghệ đối với các chất thải nguy hại đặc biệt là các chất thải có tiềm
năng gây ra ô nhiễm cao; (2) và đánh giá trình độ kỹ thuật, năng lực kinh tế có khả
năng đáp ứng các yêu cầu của công nghệ. Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ
oxy hóa trong muối nóng chảy (MSO) để xử lý chất thải plastic dạng PVC đợc xây
dựng mang một ý nghĩa là sự khởi đầu để tìm hiểu công nghệ MSO và đặt nền tảng cho
chơng trình nghiên cứu tiếp theo trong khi cha có sự nghiên cứu cụ thể nào về công
nghệ này ở Việt Nam.

Nội dung nghiên cứu của đề tài đợc đặt ra để nhắm tới 3 mục tiêu:

1. Hoàn thiện hệ thống MSO qui mô phòng thí nghiệm với công suất xử lý 0,3-
0,5kg/giờ.
2. Đánh giá sơ bộ hiệu quả xử lý của hệ thống thử nghiệm MSO đối với thải plastic
dạng PVC.
3. Xây dựng qui trình vận hành hệ thống thử nghiệm MSO công suất 0,3-0,5kg/giờ.

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, các thiết kế cho một hệ thống thử nghiệm MSO
với các thiết bị chủ yếu đã đợc thực hiện trong đề tài cấp cơ sở năm 2004. Dựa trên
các mẫu thiết kế đã đợc phê chuẩn, hệ thống thử nghiệm cần đợc xây dựng và hoàn
thiện tạo cơ sở thực hiện các mục tiêu nghiên cứu công nghệ.

Với tiêu chí mang tính toàn cầu là tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật thân thiện với
môi trờng, các nhà khoa học môi trờng trên thế giới đã và đang tập trung vào nghiên

cứu các công nghệ xử lý môi trờng một cách triệt để và an toàn. Mục tiêu thứ hai của
đề tài cũng chính là mục tiêu quan trọng nhất nhằm thẩm tra khả năng xử lý triệt để
của công nghệ MSO đối với các chất thải nguy hại và khó xử lý nh PVC.

Từ các kết quả thu đợc trong quá trình thử nghiệm dựa trên cơ sở kỹ thuật thực tế
của hệ thống thiết bị công nghệ, qui trình vận hành công nghệ đợc thiết lập. Điều này
là cơ sở để đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ vào xử lý các loại chất thải hữu cơ
chứa clo khác ở qui mô lớn ngoài phòng thí nghiệm. Nó cũng là cơ sở để tiếp tục
nghiên cứu công nghệ với mức độ sâu rộng hơn.

Dự kiến đề tài đợc thực hiện trong thời gian 1,5 năm với kinh phí 150.000.000đ.

Phần B dới đây sẽ trình bày cụ thể các kết quả của nội dung nghiên cứu đã đ
ợc
đặt ra trong đề tài.






21
Phần B: kết quả nghiên cứu

i. xây dựng, hoàn thiện hệ thống thử nghiệm mso với công
suất 0,3-0,5kg/giờ

I. 1/ đặt vấn đề

Vấn đề đặt ra đối với hệ thống thử nghiệm MSO là dù ở mức độ qui mô nhỏ vẫn

phải mô phỏng đúng các đặc trng của công nghệ để qua đó thẩm tra chính xác tính u
việt của công nghệ này. Dựa trên các bản thiết kế hệ thống thử nghiệm MSO công suất
0,3-0,5kg/giờ đã đợc phê chuẩn trong đề tài cấp cơ sở năm 2004, hệ thống sau khi
đợc chế tạo cần vận hành thử và điều chỉnh nhằm hoàn chỉnh công nghệ ở qui mô
phòng thí nghiệm và có thể đáp ứng các nội dung nghiên cứu của đề tài.

I.2/ mô tả hệ thống thử nghiệm mso công suất 0,3-0,5kg/giờ.

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thử nghiệm MSO đợc thể hiện trong hình vẽ
dới đây:

H.2: Sơ đồ hệ thống thử nghiệm MSO công suất 0,3-0,5kg/giờ

Khí thải
NớNớc
c
Má
y
hút kh
í

Phin lọc HEPA
Máy
thổi khí
Không
khí/ô
x
y

Thiết bị trao
đổi nhiệt
Lò phản
ứng
H
ệ
cấ
p

thải
ống
dẫn thải
Nạp
muối
Khí thải
ống dẫn muối thải
Lò
nhiệt
ống làm
mát

22
Hệ thống thử nghiệm MSO công suất 0,3-0,5kg/giờ bao gồm các bộ phận sau (xem
thêm Phụ lục I):

I.2.1/ Lò phản ứng

Quá trình MSO diễn ra trong vùng lò phản ứng theo nguyên tắc sủi bọt. Do đó
cấu trúc của lò phản ứng là một ống hình trụ mảnh có tỉ lệ giữa đờng kính và chiều
cao nhỏ. Theo thiết kế
[11], lò phản ứng của hệ thống thử nghiệm đợc kết hợp từ hai
phần hình trụ, phần dới 78mmx600mm và phần trên 110mmx350mm, là hai vùng
phản ứng chính và vùng thứ cấp (H.3). Quá trình oxy hóa chất thải và các phản ứng
trung hòa diễn ra trong vùng phản ứng chính chứa muối nóng chảy. Sau đó các sản
phẩm sinh ra đợc oxy hóa tiếp tục một cách hoàn toàn trong vùng thứ cấp. Tổng chiều
cao của toàn lò là 1000mm với chiều dày 10mm. Lò đợc treo dọc bên trong lò nhiệt
bằng một hệ thống neo đỡ chắc chắn nhng cũng dễ tháo lắp. Dới đáy lò đợc hàn
một đoạn ống để dẫn muối cần xả ra bên ngoài. Theo thiết kế ban đầu ống xả muối dài
150mm đờng kính trong 40 mm đợc đặt ngoài vùng nhiệt và có nắp đậy theo cơ cấu

vặn zen. Theo chế tạo, mặt dới đáy lò và ống xả muối tiếp xúc trực tiếp với không khí
lạnh. Do đó để đảm bảo cho lò phản ứng không bị mất nhiệt trong quá trình đốt, phần
đáy lò đợc lắp một bộ phận bảo ôn hình vành khăn đờng kính ngoài 400 mm và cao
200mm có thể tháo rời ra. Nhng trong quá trình làm việc thực tế bộ phận tháo muối
đã phải thay đổi thiết kế. ống xả muối đợc cắt ngắn chỉ còn 70mm, bộ phận bảo ôn
cũng đợc thay bằng một bộ hỗ trợ tháo muối khác với chiều cao 120mm. Phần này sẽ
đợc mô tả chi tiết ở mục dới đây.

Các nghiên cứu ở nớc ngoài cho thấy vật liệu chế tạo lò phản ứng cần là loại có
hàm lợng niken cao. Loại vật liệu Inconel 600 với hàm lợng niken > 60% rất thích
ứng với công nghệ oxy hóa trong muối nóng chảy bởi có thể chịu đợc ăn mòn của
muối NaCl ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên do giá thành của Inconel 600 rất đắt nên trong
khuôn khổ của đề tài vật liệu chế tạo lò phản ứng chỉ là hợp kim của ni ken với nồng
độ 20%. Đây cũng là khó khăn trong quá trình thử nghiệm, do tốc độ ăn mòn lớn
trong khi lò phản ứng có độ bền không cao nên thùng lò đã phải sửa chữa 2 lần vì bị
thủng.

I.2.2/ Lò nhiệt

Lò nhiệt có tác dụng cung cấp nhiệt cho lò phản ứng bằng cách bức xạ nhiệt từ
các cuộn dây đốt xung quanh (H.4). Lò nhiệt đợc tính toán và chế tạo với công suất
tối đa 15kW có thể tạo ra vùng nhiệt có nhiệt độ lên tới 1200
o
C. Dựa trên mẫu thiết kế
ban đầu lò nhiệt đợc chia làm hai vùng nhiệt tơng ứng với hai vùng phản ứng của lò
phản ứng. Hai vùng nhiệt đợc nối với hai nguồn cung cấp điện để có thể đợc điều
khiển riêng rẽ bằng hệ kiểm soát nhiệt độ và bằng tay. Nhng thực tế việc chỉ phân
chia hai vùng nhiệt đã cho thấy không hợp lý, điều này sẽ đợc phân tích ở mục sau.

23

H.3: Cấu tạo lò phản ứng H.4: Cấu tạo lò nhiệt (lồng ngoài lò phản ứng)

Do đó trong thực tế các thử nghiệm đã đợc tiến hành với sự tạm thời phân chia lại
vùng nhiệt thành 3 vùng nh sau: vùng phản ứng thứ cấp đợc chia thành 2 vùng nhỏ -
vùng trên và vùng giữa ; vùng thứ ba - vùng dới - là vùng phản ứng chính. Phần cách
nhiệt bằng sợi gốm có chiều dày 20cm .


I.2.3/ Hệ thống nạp liệu và cấp oxy/không khí

Hệ thống nạp liệu gồm một ống dẫn thải có đờng kính 22mm, một ejector, van
đóng mở và phễu chứa thải. ống dẫn thải đợc dẫn từ trên đỉnh lò xuống gần đáy lò.
Ngoài ra ống dẫn thải còn đợc lồng trong một ống đờng kính 40mm dẫn khí lạnh
(H.5) với mục đích làm mát ống dẫn thải để tránh phản ứng cháy chất thải trớc khi
chất thải chìm vào trong bể muối.

Chất thải đợc nạp vào qua phễu chứa (H.6) và đợc dẫn xuống dới đáy của lò
phản ứng qua ống dẫn thải. Không khí có vận tốc cao đợc đa vào bộ ejector (H.6) có
tác dụng tạo ra sức hút để hút các hạt thải rắn và cuốn các chất thải xuống vùng muối
nóng chảy.

Theo thiết kế, hệ cấp oxy/không khí gồm các ống dẫn và một thiết bị thổi khí
bằng quạt ly tâm thấp áp. Nhng trong quá trình thử nghiệm quạt ly tâm thấp áp không
thể đảm đơng việc cấp khí vào sâu trong lò. Do đó hệ cấp không khí đã đợc thay đổi
và thiết bị cấp khí đã đợc thay thế bằng một máy nén khí công suất 750W, 1HP. Hệ
thống cấp không khí này có hai mục đích:(1) cấp không khí có vận tốc cao tạo ra hiệu
ứng hút và nén chất thải đi sâu xuống vùng phản ứng đồng thời lợng không khí này

24

cũng tham gia vào quá trình phản ứng oxy hóa trong lò phản ứng: (2) cấp không khí có
vận tốc cao để tăng hiệu quả làm mát ống dẫn thải.



H.5: Bộ ống dẫn thải + làm mát
H.6: Kết cấu phễu chứa + ejector


I.2.4/ Hệ kiểm soát nhiệt độ:

Tơng ứng với lò nhiệt đợc phân chia thành hai vùng, các bộ phận chính trong
hệ kiểm soát nhiệt độ gồm một đồng hồ chỉ thị nhiệt độ loại digital, một bộ khởi động
từ, hai bộ cặp nhiệt điện (sensor). Hệ điều khiển nhiệt độ có thể điều khiển nhiệt độ
trong dải từ 1-1200
o
C. Các sensor đợc đa vào trong lò nhiệt sát vỏ ngoài của lò phản
ứng tại các vị trí cuối vùng xử lý thứ nhất và cuối vùng xử lý thứ hai. Nhiệt độ trong
các vùng lò thông qua hai sensor này đợc hiển thị trên màn hình của bộ digital. Để
đảm bảo nhiệt độ chính xác của vùng phản ứng chính, hệ kiểm soát nhiệt độ đợc lắp
đặt chỉ điều khiển tự động nhiệt độ của vùng dới trong khi nhiệt độ vùng trên đợc
điều khiển bằng tay.

Tuy nhiên do có sự thay đổi về việc phân chia vùng nhiệt nh đã nói ở trên nên
quá trình vận hành thử nghiệm thực tế là đợc thực hiện với hệ điều khiển nhiệt độ
gồm ba sensor, ba đồng hồ chỉ thị và ba bộ khởi động từ tơng ứng với việc điều khiển
của ba vùng nhiệt. Hình ảnh dới đây cho thấy hai tủ điều khiển nhiệt độ đợc sử dụng
trong quá trình thử nghiệm sau khi điều chỉnh lại các vùng nhiệt trong lò nhiệt .