PTN Tái chế và Thu hồi chất thải

1. Giới thiệu chung

Chất thải là kết quả tất yếu của các hoạt động phát triển của con người. Nền kinh tế càng phát triển thì càng sử dụng nhiều tài nguyên phục vụ cho sự phát triển đó, và một kết quả tất yếu là sinh ra một lượng chất thải càng lớn. Đặc biệt, các quốc gia có thu nhập trung bình và thấp đang chứng kiến mức tăng trưởng chất thải cao nhất do quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa nhanh chóng. Báo cáo của UNDP cho thấy năm 2020, lượng chất thải phát sinh toàn cầu đạt 2,126 tỷ tấn, và dự kiến tăng lên 2,684 tỷ tấn năm 2030 và 3,782 tỷ tấn năm 2050. trong đó có 30% được chôn lấp trong các bãi chôn lấp, 38% bị thải bỏ không kiểm soát, 13% được đốt hoặc chuyển thành nhiên liệu và chỉ có 19% được tái chế thành vật liệu và phân compost. 

Trong các giải pháp quản lý chất thải, tái chế và thu hồi vật chất từ chất thải là hoạt động nền tảng để xây dựng nền kinh tế tuần hoàn (KTTH), hay nền kinh tế ít chất thải và giảm phát thải carbon. Đây là mô hình kinh tế khép kín và liên hoàn, với sự tham gia của nhiều bên liên quan, mà trong đó mọi hoạt động thiết kế, sản xuất và dịch vụ đều hướng tới mục đích giữ vật liệu trong chu trình luân chuyển vật chất, tiết giảm chi phí sản xuất, đồng thời giảm thiểu chất thải và các tác động tiêu cực tới môi trường, một cách trực tiếp hay gián tiếp. 

Kinh tế tuần hoàn đặc biệt chú trọng đến quản lý và tái tạo tài nguyên theo một vòng khép kín, nhằm tránh tạo ra phế thải và ô nhiễm môi trường. Cơ sở của việc để lượng chất thải phát sinh ra ngoài hệ thống là tối thiểu nhất được xây dựn trên các quá trình kỹ thuật (hóa học, vật lý và sinh học) nhằm thúc đẩy sự biến đổi chất thải thành nguyên liệu mong muốn. Mô hình này đã chứng tỏ hiệu quả trong việc thay thế nền kinh tế tuyến tính vốn chỉ quan tâm đến việc khai thác tối đa tài nguyên, sản xuất, tiêu dùng và tạo ra một lượng phế thải lớn ra môi trường. Báo cáo của World Bank 2018 cho thấy có 13.5% tổng lượng chất thải phát sinh được tái chế, dao động từ 16% tại các quốc gia thu nhập thấp đến 50% tại các quốc gia phát triển đối với các nhóm nguyên liệu chính là giấy và bìa carton, nhựa, kim loại và thủy tinh. Báo cáo của UNDP 2020 cho thấy tổng lượng tái chế khu vực Tây Âu đạt khoảng 56%, cao nhất trong các vùng. Con số này ở Úc và New Zealand đạt khoảng 54%, khu vực Bắc Âu là 44% còn Nam Âu gần 42%, nghĩa là đều còn rất xa so với mục tiêu tái chế toàn bộ lượng chất thải phát sinh trong nền kinh tế tuần hoàn, chưa kể một lượng lớn chất thải có khả năng được tái chế đang được luân chuyển giữa các quốc gia, dù đang dần dần bị hạn chế.

Ở Việt Nam hiện nay, lượng chất thải đang có chiều hướng gia tăng nhanh chóng theo sự phát triển kinh tế xã hội. Báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2019 cho thấy tổng lượng chất thải rắn sinh hoạt phát sinh tại Việt Nam ước đạt 64.658 tấn/ngày, trong đó khu vực thành thị phát sinh 35.624 tấn/ngày và khu vực nông thôn là 28.394 tấn/ngày. Một phần không nhỏ trong số đó chính là các nhóm chất thải xếp loại “tài nguyên đô thị”, nghĩa là các chất thải mà bên trong chứa rất nhiều vật liệu có giá trị như kim loại, nhựa bị thải bỏ. Chỉ có một phần vật liệu là có thể được tách ra bởi các quá trình cơ học là có thể được tái chế, còn một phần lớn gần như không được quan tâm đến bởi chi phí thu hồi vật liệu rất cao. Lượng chất thải này, nếu như không được thu gom và xử lý đúng cách thì lại là nguồn phát sinh các chất ô nhiễm, cả sơ cấp và thứ cấp vào môi trường. Trong khi đó, tỷ lệ thu gom chất thải ở khu vực đô thị mới đạt 91.8% và khu vực nông thôn là 65.7%. 71% lượng chất thải thu gom được đưa đi chôn lấp, 16% được chế biến thành phân compost và 13% được đốt. Những con số này cho thấy, ngoài gây ra các tác động đến môi trường, một lượng lớn chất thải vốn có thể trở thành nguyên liệu đã bị lãng phí.

Tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, Chiến lược phát triển KHCN Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội giai đoạn 2017-2025 cũng xác định 4 định hướng nghiên cứu nghiên cứu chính dài hạn của Nhà trường, bao gồm:

-           Công nghệ dữ liệu và Hệ thống thông minh

-           Năng lượng và Môi trường bền vững

-           Vật liệu mới

-           Khoa học và công nghệ sức khỏe

Trong đó, nội dung tái chế và thu hồi vật liệu từ chất thải xuất hiện trong định hướng nghiên cứu về Khoa học và công nghệ sức khỏe và Năng lượng và Môi trường bền vững. Điều đó cho thấy sự nhìn nhận xu hướng và vị thế quan trọng trong tương lai của nội dung nghiên cứu này của Đại học Bách Khoa Hà Nội. Đã có nhiều nhóm nghiên cứu thực hiện các nội dung nghiên cứu về tái chế và thu hồi chất thải, ví dụ như GS.TS. Lê Minh Thắng và cộng sự nghiên cứu hệ xúc tác oxit kim loại chuyển tiếp (Mn–Co–Ce–Zr–Ba) cho xử lý khí VOCs và CO, cũng như các quá trình nhiệt phân nhựa để thu hồi nhiên liệu. GS.TS. Huỳnh Trung Hải triển khai nghiên cứu về tái chế tro bay, xỉ thép thành geopolymer, và sản xuất vật liệu hấp phụ giá rẻ từ phụ phẩm công nghiệp. PGS.TS. Trần Thị Hồng Liên dẫn đầu các dự án sản xuất compost và vật liệu sinh học từ rác hữu cơ và phụ phẩm nông nghiệp. Các nhóm từ Viện Cơ khí, CNTT-TT và Điện tử – Viễn thông phát triển hệ thống phân loại và thu hồi rác thải tự động bằng cảm biến và AI. Ngoài ra, còn phải kể đến các nghiên cứu về công nghệ nhiệt phân xúc tác mềm để tái chế nhựa thải thành nhiên liệu lỏng, cũng như các kỹ thuật thu hồi kim loại nặng từ bùn thải bằng kết tủa, keo tụ và chiết hóa học, …

Tuy nhiên, các nghiên cứu về tái chế và thu hồi vật liệu chỉ được thực hiện một cách có hệ thống, cho một nhóm chất thải đặc thù và trong thời gian dài bởi nhóm nghiên cứu tái chế chất thải điện tử tại Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (tiền thân của Khoa Khoa học và Công nghệ Môi trường, trường Hóa và Khoa học sự sống hiện nay), tập trung chủ yếu vào lĩnh vực thu hồi kim loại thông thường như đồng, chì, mangan thiếc, các kim loại quý như vàng, platinum, bạc, từ chất thải điện tử, thu hồi nhựa cứng và thủy tinh đèn hình phục vụ sản xuất vật liệu xây dựng. Bên cạnh đó là các nghiên cứu về thu hồi kim loại hiếm trong chất thải điện-điện tử và các nghiên cứu đánh giá và xây dựng chính sách trong lĩnh vực tái chế.

Các nghiên cứu này đã được nhóm nghiên cứu thực hiện có hệ thống và toàn diện từ năm 2005 đến nay, với 02 dự án hợp tác quốc tế lớn, có vai trò quan trọng đặc biệt bởi hai dự án này trang bị các thiết bị nghiên cứu đồng bộ trong lĩnh vực tái chế chất thải:

• Dự án "Nâng cao năng lực nghiên cứu, phát triển và chuyển giao công nghệ tái chế chất thải ở Việt Nam" do Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường chủ trì, với sự hỗ trợ từ Cơ quan Hợp tác Quốc tế Hàn Quốc (KOICA) và Viện Khoa học Địa chất và Tài nguyên Khoáng sản Hàn Quốc (KIGAM), giai đoạn 2013-2016.

• Dự án “Phát triển công nghệ tái chế chất thải điện tử và thiết bị điện tử”, tài trợ từ chính phủ Hàn Quốc, thông qua đối tác chủ quản là Viện Địa chất và Khoáng sản Hàn Quốc KIGAM, giai đoạn 2006-2009.

Bên cạnh đó, nhóm cũng thực hiện nhiều đề tài cấp Nhà nước, cấp Bộ và các dự án hợp tác quốc tế với các tổ chức như KRICS, NIES, ERIA, ICT group, WB. Trong 15 năm trở lại đây, các thành viên trong nhóm đã công bố gần 40 bài báo, trong đó có 12 bài ISI có liên quan đến nội dung nghiên cứu tái chế chất thải, 01 đầu sách và 01 chương sách, không tính các bài hội thảo quốc tế có phản biện và hội thảo trong nước được hội đồng chức danh Giáo sư ngành công nhận.

Các kết quả này đã đưa Đại học Bách Khoa Hà Nội là trường đại học đi đầu và dẫn đầu trên cả nước về các nghiên cứu tái chế chất thải nói chung và chất thải điện tử nói riêng. Tuy nhiên, các nghiên cứu này mới chỉ dừng ở quy mô nghiên cứu khoa học chứ chưa được triển khai ứng dụng trong thực tiễn do các hạn chế về nguồn lực.

Nhìn chung, tại thời điểm hiện tại, năng lực nghiên cứu, phát triển và chuyển giao công nghệ trong lĩnh vực tái chế ở nước ta vẫn còn thấp. Việt Nam cũng chưa có phòng thí nghiệm tập trung nghiên cứu về công nghệ tái chế. Bên cạnh đó, các dự án nghiên cứu được thực hiện khá rời rạc và ở quy mô nhỏ vì thể rất khó triển khai áp dụng trong thực tế. Ngay tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, một trong các đơn vị nghiên cứu hàng đầu của cả nước, đã có bề dày nghiên cứu phát triển công nghệ tái chế chất thải, với các trang thiết bị nghiên cứu hiện đại và nhân lực được đào tạo ở nước ngoài, thì cũng mới chỉ thực hiện rời rạc một số dự án nghiên cứu ở quy mô nhỏ, phân tán và vì thể rất khó triển khai ứng dụng kết quả thực hiện trong thực tế. 

Bên cạnh đó, có thể nói, cơ sở trang thiết bị chính phục vụ cho các nghiên cứu liền mạch trong lĩnh vực tái chế chất thải, từ khâu xử lý sơ bộ, khâu xử lý phân loại đến các thiết bị hóa học, thiết bị nhiệt thì mới chỉ có đầy đủ hơn cả tại Khoa Khoa học và Công nghệ Môi trường, tiền thân là Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường do nhóm nghiên cứu tái chế chất thải điện tử đang chịu trách nhiệm quản lý, còn tại các đơn vị khác đều là các trang thiết bị dùng chung đa chức năng, rất khó để có thể thực hiện đầy đủ một nghiên cứu chuyên sâu trong lĩnh vực này. Đây cũng là căn cứ và sự cần thiết để thành lập PTNNC Tái chế và thu hồi chất thải tại trường Hóa và Khoa học sự sống.

2. Mục tiêu

- Nghiên cứu phát triển và chuyển giao công nghệ tái chế chất thải bền vững và hiệu quả, góp phần giảm thiểu tác động môi trường và thúc đẩy nền kinh tế tuần hoàn.

- Nghiên cứu và ứng dụng các phương pháp tiên tiến để thu hồi tài nguyên có giá trị từ chất thải điện tử và các loại chất thải khác.

- Chế tạo các vật liệu sinh học có giá trị gia tăng cao từ các nguồn chất thải hữu cơ nhằm thay thế các vật liệu truyền thống độc hại hoặc không bền vững.

- Đào tạo nguồn nhân lực, hỗ trợ sinh viên, nghiên cứu sinh tham gia nghiên cứu thực tiễn.

 Mục tiêu cụ thể:

• Tái chế chất thải điện tử (e-waste):

- Phân tích thành phần và tiền phân loại chất thải điện tử (bo mạch, vi mạch, cáp, linh kiện điện tử, tấm quang năng thải).

- Nghiên cứu các kỹ thuật tách, chiết, phân rã cơ học, nhiệt học và hóa học các nhóm chất thải điện tử.

- Tối ưu hóa quy trình xử lý để tăng hiệu suất tái chế, giảm tiêu thụ năng lượng, hóa chất và giảm chất thải thứ cấp phát sinh trong quá trình tái chế.

• Thu hồi kim loại quý từ bo mạch, pin và ắc quy thải:

- Phát triển quy trình thu hồi kim loại như vàng (Au), bạc (Ag), đồng (Cu), palladium (Pd), lithium (Li), cobalt (Co), nickel (Ni), v.v.

- Ứng dụng công nghệ sinh học (bioleaching), thủy luyện (hydrometallurgy) hoặc nhiệt luyện (pyrometallurgy) trong thu hồi kim loại.

- Đánh giá được hiệu quả kinh tế và môi trường của các công nghệ thu hồi, sẵn sàng cho hoạt động chuyển giao công nghệ.

• Xử lý và tái chế tấm quang năng (solar panels) và phương tiện giao thông thải (EVs, xe hơi, xe máy):

- Nghiên cứu các phương pháp xử lý an toàn tấm quang năng hết hạn sử dụng, với mục tiêu chính là thu hồi silicon, bạc, nhôm, thủy tinh.

- Phân tích cấu trúc và vật liệu của phương tiện giao thông điện thải, để đề xuất công nghệ phân tách vật liệu, tập trung vào pin, hệ truyền động và khung vỏ.

- Phát triển mô hình tái chế tích hợp cho các thiết bị và phương tiện giao thông vận tải sử dụng động cơ đốt trong, động cơ điện và hybrid.

• Chế tạo vật liệu sinh học từ chất thải hữu cơ:

- Phát triển quy trình sản xuất bioplastic từ phụ phẩm nông nghiệp, thực phẩm, hoặc chất thải sinh hoạt hữu cơ.

- Chế tạo biochar từ chất thải sinh khối bằng công nghệ nhiệt phân hoặc các phương pháp xanh khác.

- Ứng dụng các vật liệu sinh học trong nông nghiệp, xử lý môi trường, hoặc công nghiệp bao bì.

• Đánh giá vòng đời và tác động môi trường (LCA):

- Thực hiện các nghiên cứu vòng đời sản phẩm (Life Cycle Assessment) để đánh giá hiệu quả môi trường của các giải pháp tái chế.

- Đề xuất các mô hình kinh tế tuần hoàn và hệ sinh thái tái chế bền vững.

• Chuyển giao công nghệ và hợp tác quốc tế:

- Thiết lập các mô hình hợp tác với doanh nghiệp, cơ quan quản lý và viện nghiên cứu trong và ngoài nước.

- Thúc đẩy việc chuyển giao công nghệ tái chế vào thực tiễn thông qua mô hình thí điểm hoặc khởi nghiệp công nghệ xanh.

3. Chức năng, nhiệm vụ

Phòng thí nghiệm nghiên cứu Tái chế và thu hồi chất thải có các chức năng và nhiệm vụ chính sau:

-           Nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ (R&D) trong lĩnh vực tái chế chất thải và thu hồi tài nguyên.

-           Đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao trong lĩnh vực kỹ thuật môi trường, kỹ thuật hóa học, vật liệu bền vững và công nghệ tái chế.

-           Hợp tác và chuyển giao công nghệ với các doanh nghiệp, viện nghiên cứu và tổ chức quốc tế trong các lĩnh vực có liên quan.

-           Phục vụ giảng dạy, thực hành và học tập cho sinh viên đại học và sau đại học trong các chuyên ngành liên quan.

-           Thử nghiệm, phân tích và kiểm định vật liệu, đánh giá hiệu quả công nghệ xử lý chất thải và tác động môi trường.

4. Nội dung phát triển chuyên môn

-           Cải thiện công nghệ tái chế thông qua việc nâng cao hiệu suất của quá trình tái chế, nâng cao chất lượng của vật liệu tái chế, giảm lượng chất thải và lượng năng lượng tiêu thụ của quá trình, thay thế các hoá chất độc hại sử dụng bằng các hoá chất thân thiện môi trường, nghiên cứu sử dụng các xúc tác thúc đẩy quá trình tái chế hoặc thay thế các quá trình hoá học bằng các quá trình sinh học, v.v.

-           Tìm kiếm các ứng dụng mới từ vật liệu tái chế, trong đó tập trung vào việc khai thác hiệu quả các bán thành phẩm từ vật liệu tái chế. Việc tìm kiếm những loại vật liệu mới từ nguyên liệu tái chế, không những giúp phát triển về mặt công nghệ, mà còn rất có ý nghĩa đối với một xã hội tuần hoàn vật chất, mở ra một thị trường ứng dụng rất rộng rãi cho công nghệ tái chế phát triển.

-           Phát triển các công nghệ mới nhằm tái chế kim loại quý và vật liệu, chất thải đặc thù. Do đặc thù về thành phần và kích thước, việc tái chế các kim loại hiếm thường được bỏ qua do chưa có công nghệ hợp lý về hiệu quả và kinh tế, và lượng nhỏ các kim loại hiếm có trong chất thải. Mặt khác, các công nghệ tái chế kim loại quý, hiếm thường tốn kém hóa chất, năng lượng và đòi hỏi hệ thống khá phức tạp, vì phải kết hợp với các công đoạn tái chế vật liệu khác trong chất thải. Tương tự như vậy, các chất thải mang tính đặc thù, ví dụ như chất thải xây dựng từ phá dỡ nhà máy điện nguyên tử hoặc các lò phản ứng, trước đây không sử dụng để tái chế được mà phải đóng rắn chôn lấp theo yêu cầu đối với chất thải nguy hại. Vì vậy trong tương lai, đây là một hướng phát triển mới cần thiết đối với lĩnh vực tái chế.

-           Phát triển công nghệ tái chế theo xu hướng tạo thành năng lượng, là nguồn tài nguyên thiên nhiên quan trọng đặc biệt đối với sự phát triển của con người, nhưng hiện nay đang bị khai thác và sử dụng đến cạn kiệt trữ lượng. Mặt khác, năng lượng khai thác từ tự nhiên hiện nay đang chi phối mạnh mẽ sự phát triển kinh tế - xã hội, như những ví dụ về khủng hoảng dầu mỏ các năm 1970 hay những năm gần đây, khiến cho kinh tế thế giới bị tác động nghiêm trọng. Vì vậy, việc tìm kiếm nguồn nhiên liệu nhân tạo đang trở thành một xu hướng phát triển, trong đó, việc khai thác nhiên liệu từ chất thải cũng đã bắt đầu được quan tâm chú ý.

5. Cơ cấu tổ chức