Quá trình cracking xúc tác FCC (Fluid Catalytic Cracking) là một trong những quá trình quan trọng nhất trong nhà máy lọc dầu, giúp chuyển hóa các thành phần nặng với giá trị thấp của dầu thành những sản phẩm nhẹ hơn mang giá trị cao như xăng, diesel, và LPG. Xúc tác FCC bao gồm 4 thành phần chính, đó là zeolit, chất mang (matrix), chất kết dính (binder), và chất độn (filler). Zeolit thông thường chiếm từ 10-50% khối lượng của xúc tác nhưng là thành phần chính quyết định đến tính chọn lọc (selectivity) và hoạt tính (activity) của xúc tác. Hiện nay ở Việt Nam, xúc tác FCC chỉ được tiêu thụ tại Nhà máy lọc dầu (NMLD) Dung Quất. Nhu cầu sử dụng xúc tác FCC tại NMLD Dung Quất tăng dần qua các năm (chủ yếu do chất lượng dầu thô ngày càng kém đi). Năm 2015, lượng tiêu thụ xúc tác FCC tại Nhà máy khoảng 5.840 tấn/năm (tương ứng với 16 tấn xúc tác/ngày).

Đất hiếm có vai trò rất quan trọng trong công nghiệp cũng như trong đời sống con người. Năm 2003, nhu cầu tiêu thụ đất hiếm trên toàn thế giới vào khoảng 85.000 tấn. Theo thống kê thì nhu cầu đất hiếm trên thế giới năm 2015 là 210.000 tấn. Qua đó ta có thể thấy nhu cầu đất hiếm trên thế giới liên tục tăng lên qua từng năm, đặc biệt là những năm gần đây khi các ngành công nghiệp điện tử, quốc phòng ngày càng phát triển mạnh. Tuy nhiên, Trung Quốc ngày càng khẳng định vị trí độc tôn của mình trong thị trường sản xuất đất hiếm, với 97% sản lượng đất hiếm của cả thế giới (năm 2010). Từ đó cho thấy sự cần thiết của việc nghiên cứu thu hồi đất hiếm từ các nguồn thải.

Xuất phát từ thực tiễn trên, Cơ quan chủ trì Viện Dầu Khí Việt Nam cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài TS. Nguyễn Anh Đức thực hiện nghiên cứu.

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã phát triển quy trình thu hồi các cation kim loại đất hiếm với độ tinh khiết cao từ xúc tác FCC thải của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất. So với các nghiên cứu trên thế giới thì đối tượng xúc tác FCC thải của NMLD Dung Quất có tính rất đặc thù là chứa hàm lượng Fe rất cao. Chính vì vậy, các phương pháp kỹ thuật hiện đang sử dụng trên thế giới không thể áp dụng được cho đối tượng xúc tác FCC thải của NMLD Dung Quất do không đạt được độ tinh khiết cao của sản phẩm.

Quy trình thu hồi bao gồm 2 bước chính là ngâm chiết bằng axit và làm giàu-tinh chế bằng phương pháp chiết dung môi. Các thông số tối ưu của quá trình ngâm chiết đã được xác định thông qua các nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm kỹ lưỡng. Nội dung chiết dung môi đã được thực hiện trên cơ sở hợp tác hiệu quả với Đại Học TU Dresden (Đức). Qua đó quy trình tổng hợp để thu hồi hơn 90% oxit đất hiếm của xúc tác FCC thải với độ tinh khiết trên 99,9% đã được thiết lập.

Nhóm tác giả đã khảo sát các phương pháp nhằm loại Fe^(III) trước khi tinh chế đất hiếm. Kết quả cho thấy phương pháp kết tủa phân đoạn hoặc chiết tách dung môi để loại Fe^(III) có thể loại Fe^(III) ra khỏi hỗn hợp chứa với các cation đất hiếm và Al^(III). Qua đó, phương pháp kết tủa phân đoạn được lựa chọn cho quá trình phát triển ở quy mô pilot.

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, một hệ thống thu hồi đất hiếm từ xúc tác FCC thải đã được xây dựng với quy mô là 100kg xúc tác thải/mẻ. Hệ pilot được thiết kế và xây dựng trên cơ sở liên tục, các tác chất được tuần hoàn toàn bộ nhằm đảo bảo tính kinh tế và an toàn môi trường. Các phương án thu hồi cả oxit La và Ce cũng như chỉ thu hồi oxit La cũng được tính đến. Các tính toán sơ bộ hiệu quả kinh tế của phương án cho thấy chi phí thu hồi có thể tiệm cận với chi phí mà NMLD đang phải trả cho đơn vị thu gom. Do đó, các oxit đất hiếm được sản xuất với chi phí không đáng kể.

Kết quả nghiên cứu có tính ứng dụng cao, có thể áp dụng cho nhiều đối tượng xúc tác FCC thải khác trên thế giới, nhất là trong bối cảnh nguyên liệu chế biến với hàm lượng tạp chất như Fe, Ni, V, Ca… ngày càng cao.

Với các kết quả thu được, nhóm tác giả đề xuất cần tiếp tục triển khai ở quy mô thực tế (20 tấn/ngày) và lắp đặt ngay tại NMLD Dung Quất để hoàn tất quá trình phát triển công nghệ.

Bên cạnh đó, một số vấn đề liên quan nghiên cứu cơ bản có thể tiếp tục được triển khai: tốc độ tạo phức khác nhau giữa Fe và RE, bản chất của quá trình tiền xử lý với kiềm…

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 15802/2019) tại Cục Thông tin KHCNQG.

Đ.T.V (NASATI)