Học sinh biến rác thải nhựa thành chất đốt

Ngày đầu tháng 6, em Trương Thành Phúc, lớp 11 Lý, Trường THPT Chuyên Huỳnh Mẫn Đạt mang đến Techfest Quảng Nam 2024 sản phẩm “Viên nén tái tạo – hiệp đồng từ đất biển Kiên Giang”, đây là một trong bốn sản phẩm do học sinh, sinh viên chế tạo được Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Kiên Giang đưa đi giới thiệu.

Trưng bày các viên nén có hình dáng giống như vụn gỗ ép khiến nhiều người tò mò đến tìm hiểu. Phúc kể thường xuyên chứng kiến cảnh hơn 600 trường học tại Kiên Giang phải tự đốt rác tại trường, lượng khói bụi và mùi hôi gây ảnh hưởng đến sức khỏe của học sinh và người dân xung quanh. Kiên Giang là tỉnh có đường bờ biển dài khoảng 200 km, mạng lưới sông ngòi chằng chịt đổ ra biển, nhà cửa thường được người dân làm gần bờ sông, biển. Nhiều người dân vẫn có thói quen vứt rác xuống sông, biển gây ô nhiễm môi trường.

Từ những trăn trở đó, Phúc nảy ra ý tưởng tìm giải pháp xử lý lượng rác thải nhựa này. Ngoài thời gian đến lớp, nam học sinh tìm hiểu thông tin trên mạng và biết được với rác thải nhựa không chỉ Việt Nam mà ở trên thế giới được xử lý và tái chế với số lượng ít, còn lại chủ yếu đốt bỏ hoặc chôn lấp. Xu hướng mới đang được quan tâm trên thế giới đó là kết hợp đốt rác thải nhựa có kiểm soát và thu hồi năng lượng bằng việc dụng nguồn phụ phẩm, phế phẩm để sản xuất các sản phẩm thân thiện với môi trường.

Trong ba tháng hè năm 2023, Phúc cùng bốn người bạn lên ý tưởng và chọn loại phụ phẩm, phế phẩm phù hợp ở địa phương để làm chất xúc tác, trợ cháy trong quá trình đốt rác thải nhựa. Việc này để góp phần nâng cao hiệu quả cháy của sản phẩm và giảm phát thải các chất độc hại ra môi trường.

Sau hai tháng nghiên cứu và thử nghiệm, các học sinh lấy rác thải nhựa và vỏ trấu xay nhỏ và ép thành viên nén nhiên liệu. Kết quả thử nghiệm cho nhựa kết hợp với trấu sẽ có thêm năng lượng nhiệt, giúp tăng hiệu suất cháy. Hai loại này khi đốt sẽ hạn chế tro bay, chất phát thải độc hại ra môi trường do lượng lớn Silic trong vỏ trấu có thể tạo hiệu ứng hấp phụ – hấp thụ các khí độc, kim loại nặng.

Trong quá trình thực nghiệm tại Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Phúc thấy mẫu viên nén nhiên liệu hiệu quả nhất về giảm lượng khí phát thải độc hại là 70% vỏ trấu và 30% nhựa. Tuy nhiên, mục tiêu của Phúc và nhóm là muốn xử lý rác thải nhựa hiệu quả nên không chọn được những mẫu có nhiều vỏ trấu.

Sau đó, Phúc quyết định thêm một số chất trợ cháy xúc tác khác khi đốt và tìm các phụ gia nổi bật ở Kiên Giang. Nhóm dự án chọn bột đá dolomit vì nó giảm phát thải Kali và Clo có trong tro bay. Ngoài ra, dolomit có thể tăng phản ứng cháy, ức chế sự bay hơi của các kim loại kiềm hay kiềm thổ và các khí độc trong quá trình cháy, làm giảm hiệu ứng đóng cặn xỉ.

Nguyên lý ở đây là chuyển hóa các hợp chất có nhiệt độ nóng chảy thấp thành hợp chất có nhiệt độ nóng chảy cao hơn nhiệt độ cháy trong lò. Từ đó giảm hiệu ứng tạo cặn xỉ trong buồng đốt khi hình thành hỗn hợp oxit K2O-SiO2-CaO (MgO) có nhiệt độ nóng chảy cao. CaO (MgO) cũng có thể phản ứng với các photphat tạo thành canxi photphat (nóng chảy trên 1600 độ C). CaO và MgO kết hợp với SO2 tạo thành các oxit hỗn hợp CaO (MgO) SO4 (nóng chảy trên 1200 độ C).

MgO không kết hợp với kiềm ngay cả ở nhiệt độ cao nên nó thích hợp để loại bỏ sự kết tụ của tro và nó có thể giảm hàm lượng K và Cl trong tro bay. CaO hay MgO còn thúc đẩy sự chuyển đổi khí rất độc là hydro xyanua (HCN) thành các khí an toàn hơn. Do đó, CaO và MgO trong dolomit có thể làm giảm lượng khí phát thải độc hại SO2, NO và CO.

Thử nghiệm cho thấy trung bình lượng khí phát thải HC và CO của viên nén có dolomit có giá trị tương ứng là 0,1194 ml/g và 0,7167 ml/g. Trong khi đó, nhựa và trấu phát khí thải 3,9753 ml/g và 1,7695 ml/g theo thứ tự.

Sau ba tháng, nhóm tạo viên nén với tỷ lệ phải là nhựa 62%, trấu 27% và dolomit 11%, khi cháy giảm lượng các khí phát thải HC, CO, NO và H2S lần lượt là 99,88%; 96,39%; 46,29% và 44,44% so với nhựa và trấu. “Viên nén tỏa nhiệt lượng nhanh, giảm hiện tượng tạo cặn xỉ nên rất phù hợp trong việc phục vụ sản xuất công nghiệp”, Phúc cho hay, thêm rằng sản phẩm là giải pháp công nghệ cho việc xử lý rác thải nhựa ven biển nói riêng và rác thải nhựa nói chung. Hiện nay chưa có bất kì sản phẩm hay ý tưởng nào tương tự được công bố trước đó.

Nam học sinh chuyên Lý cho hay sản phẩm ra đời phù hợp với kỷ nguyên năng lượng tái tạo, giảm ô nhiễm môi trường, phụ phẩm nông nghiệp được tận dụng, tăng thu nhập cho nông dân trồng lúa. Phúc dẫn chứng từ kết quả nghiên cứu để tạo ra 1 tấn viên nén hết khoảng 4,7 triệu đồng, khi đốt cháy cho nhiệt trị khoảng 7500 kcal/kg, trong khi đó dùng than đá hơn 10 triệu đồng mà nhiệt trị khoảng 5000-6000 kcal/kg; dầu Diesel giá 18 triệu đồng có nhiệt trị khoảng 10.000 kcal/kg.

“Ngoài việc giải quyết rác thải nhựa, sử dụng sản phẩm giúp khách hàng giảm chi phí đầu tư hệ thống xử lý chất thải sau khi đốt. Chúng còn giảm chi phí vận hành và bảo dưỡng lò đốt, đồng thời góp phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia vì không còn phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu nhập khẩu từ nước ngoài với giá cao”, Phúc nói.

Sản phẩm đạt giải ba cuộc thi Khoa học Kỹ thuật cấp Quốc Gia dành cho học sinh trung học năm học 2023-2024 và giải nhì cuộc thi Học sinh, sinh viên với ý tưởng khởi nghiệp cấp quốc gia năm 2023-2024 do Bộ Giáo dục và Đào Tạo tổ chức. Tại cuộc thi sáng tạo trẻ cấp tỉnh Kiên Giang năm 2023, viên nén tái tạo của nhóm Phúc giành giải nhất.

Nam học sinh mong muốn lan tỏa và truyền cảm hứng đến mọi người nhân rộng và phát triển mô hình khởi nghiệp bền vững, đổi mới sáng tạo.

Tiến sĩ Nguyễn Xuân Niệm, Phó Giám đốc Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Kiên Giang đánh giá sản phẩm có tiềm năng trong tương lai. “Qua nhiều năm theo dõi các cuộc thi khoa học kỹ thuật, tôi thấy dự án viên nén từ rác thải nhựa kết hợp trấu và bột đá dolomit có thể áp dụng trong thực tiễn. Sản phẩm này lấy nguyên vật liệu ở Kiên Giang có sẵn và giá rẻ. Khi sử dụng chúng phát thải ra môi trường ít khí độc”, ông Niệm nói.

Đắc Thành