Nhiệt phân bằng vi sóng: Giải pháp tái chế dây điện PVC đầy hứa hẹn

Vấn đề rác thải điện tử (e-waste) đang ngày càng gia tăng đòi hỏi các phương pháp tái chế tốt hơn, do đó các nhà nghiên cứu từ Đại học Sophia và Đại học Pavia đã phát triển một phương pháp nhiệt phân bằng vi sóng để tái chế cáp điện PVC, nhất là loại cáp nguồn VVF.

Theo đó trong quá trình này, dây cáp điện sẽ được đặt trong lò phản ứng thủy tinh và phải chịu bức xạ vi sóng. Quá trình nhiệt phân sẽ cacbon hóa lớp cách điện PVC, để lộ ra lõi dây đồng để dễ dàng tái chế, đồng thời ngăn ngừa sự hình thành của các tạp chất phụ gia nguy hiểm. Phương pháp này đem lại cách tiếp cận đơn giản và thuận tiện để tái chế dây đồng từ cáp PVC mà không tạo ra hoặc sử dụng hóa chất độc hại, giúp quá trình này hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường hơn.

Sự cần thiết của việc tái chế cáp điện

Nhu cầu về đồ điện tử đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể rác thải điện tử. Vào năm 2022, khoảng 62 triệu tấn rác thải điện tử đã được tạo ra, tăng tới 82% so với năm 2010 và dự báo cho thấy con số này có thể tăng lên 82 triệu tấn vào năm 2030.

Rác thải điện tử chứa các vật liệu có giá trị như kim loại, chất bán dẫn và các nguyên tố hiếm có thể tái sử dụng. Tuy nhiên, vào năm 2022, chỉ có 22,3% rác thải điện tử được thu gom và tái chế đúng cách trong khi các vật liệu còn lại, ước tính có giá trị gần 62 tỷ $ đã bị thải bỏ tại các bãi chôn lấp. Mặc dù các nỗ lực cải thiện hoạt động tái chế rác thải điện tử vẫn tiếp tục nhưng quá trình này vẫn đòi hỏi nhiều lao động và một phần đáng kể rác thải điện tử được xuất khẩu sang các nước đang phát triển, nơi có lao động và công nghệ tái chế rẻ tiền, không chính thức nên có liên quan rất lớn đến hóa chất nguy hại sau khi tái chế.

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí RSC Advances vào ngày 20/9/2024, các nhà nghiên cứu từ Đại học Sophia ở Nhật Bản và Università di Pavia ở Ý đã phát triển một phương pháp tái chế nhiệt phân mới bằng vi sóng, cực kỳ hiệu quả mà chi phí lại rất phải chăng để tái chế cáp điện. Phương pháp này sẽ cacbon hóa lớp cách điện PVC và làm lộ dây đồng mà không làm hỏng nó, cho phép tái chế dễ dàng mà không tạo ra các sản phẩm phụ chứa các chất độc hại.

“Cáp VVF thường được sử dụng làm cáp điện trong nhà và tòa nhà và có giá trị tái sử dụng cao trong rác thải điện tử. Phương pháp của chúng tôi phù hợp để tái chế và thu hồi rác thải điện tử có chứa kim loại và không cần xử lý tách nhựa trước ra khỏi lõi đồng”, Giáo sư Satoshi Horikoshi từ Đại học Sophia cho biết.

Cụ thể, các nhà nghiên cứu đã đặt cáp điện VVF loại 2 lõi được bọc lớp cách điện PVC vào lò phản ứng thủy tinh và tiếp xúc với bức xạ vi sóng ở mức 100, 200 và 300W. Khí nitơ được đưa vào lò phản ứng để ngăn ngừa nguy cơ cháy trong quá trình nhiệt phân. Họ đã thử nghiệm một cáp VVF tiêu chuẩn dài 54 cm và cắt thành các đoạn cáp có chiều dài khác nhau (1cm, 6cm, 9cm, 12cm và 18cm).

Điều thú vị là hiệu quả của quá trình nhiệt phân thay đổi tùy theo chiều dài cáp so với bước sóng của vi sóng, khoảng 12.24 cm ở tần số 2.45 GHz. Quá trình nhiệt phân hiệu quả nhất ở những loại cáp có chiều dài khớp với các phần cụ thể của bước sóng, ví dụ cáp 9 cm (khoảng 3/4 bước sóng) và 18 cm (dài hơn bước sóng) bắt đầu nhiệt phân sau 60 giây ở mức 100W. Ngược lại, những cáp có chiều dài ngắn hơn như cáp 3cm (khoảng 1/4 bước sóng) cần công suất cao hơn (200W) để bắt đầu nhiệt phân. Các chiều dài khác, chẳng hạn như 1cm, 6cm và 12cm (toàn bộ hoặc gần như toàn bộ bước sóng), không cho thấy quá trình nhiệt phân ngay cả ở mức 300W.

Bản thân nhựa không hấp thụ vi sóng, nhưng đoạn dây 9cm và 18cm đã trải qua quá trình nhiệt phân vì một số lý do. Đầu tiên, ở độ dài này, các dây đồng hoạt động như ăng-ten, hấp thụ bức xạ vi sóng và tạo ra các tia hồ quang điện làm nóng PVC mà không làm tan chảy đồng. Thứ hai, trường điện mạnh hơn và tập trung ở hai đầu và tâm của các dây này, dây 9cm có cường độ trường điện gấp khoảng hai lần so với dây 3cm, dẫn đến quá trình làm nóng nhanh hơn và cục bộ hơn. Thứ ba, khi PVC nóng lên và cacbon hóa, nó bắt đầu hấp thụ vi sóng tốt hơn, điều này làm tăng tốc quá trình nhiệt phân.

Trong quá trình nhiệt phân, lớp cách điện PVC trải qua quá trình khử clo và cacbon hóa nhanh chóng, ngăn ngừa hiệu quả sự hình thành các sản phẩm phụ có hại như hắc ín, hydrocarbon thơm đa vòng (PAH) và dioxin. Giáo sư Horikoshi cho biết: “Clo có thể được tái chế thành axit clohydric; cacbon và than hoạt tính được tạo ra có thể được thu hồi dưới dạng cacbon đen”.

Vì vi sóng có khả năng làm nóng và phá vỡ các sợi dây dài hơn bước sóng của chúng nên cáp VVF dài 54cm đã bị nhiệt phân hoàn toàn chỉ trong 12 phút dưới bức xạ 300W, khiến dây đồng vẫn còn nguyên vẹn và không bị hư hỏng.

Với bước đột phá này, tương lai của hoạt động tái chế rác thải điện tử như dây cáp điện PVC có thể trở nên sạch hơn, nhanh hơn và bền vững hơn nhiều, biến rác thải ngày nay thành kho báu của