Mỗi năm, con người tạo ra hơn 2 tỷ tấn chất thải và thủy tinh chiếm gần 20% trong tổng số đó. Điều đáng chú ý là một chai thủy tinh có thể nằm trong bãi chôn lấp hơn một triệu năm mà không bị phân hủy. Tuy nhiên, thủy tinh là một trong số rất ít vật liệu có thể được tái chế nhiều lần mà không làm suy giảm chất lượng. Điều đó đặt ra một câu hỏi thú vị: làm thế nào những mảnh thủy tinh vỡ, lẫn nhiều tạp chất khác nhau, có thể được biến đổi trở lại thành những chai thủy tinh sạch sẽ và sáng bóng? 

Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh The Factoran, nói về quy trình tái chế thủy tinh.

Để xem và hiểu một cách đầy đủ nội dung của video (bằng tiếng Anh), Quý độc giả nên tham khảo toàn bộ nội dung của bài viết trước khi xem video. Để xem video ở chế độ toàn màn hình (full-screen), vui lòng nhấn vào khung [ ] tại góc phải phía dưới của video hoặc nhấn phím F.

Thu gom chai thủy tinh từ nguồn phát sinh
Bước đầu tiên của quá trình tái chế là thu gom nguồn nguyên liệu đầu vào. Trong cuộc sống hằng ngày, các chai bia, nước ngọt và đồ uống sau khi sử dụng thường bị bỏ chung với rác sinh hoạt, khiến việc phân loại trở nên tốn kém và phức tạp. Để giải quyết vấn đề này, nhiều quốc gia Châu Âu đã xây dựng hệ thống thu hồi chai ngay từ nguồn phát sinh. Các máy hoàn trả chai tự động được lắp đặt tại nhiều khu vực trong thành phố, cho phép người dân đưa chai rỗng vào để hệ thống tự động quét mã, nhận diện và phân loại. Đổi lại, người sử dụng sẽ nhận được một khoản hoàn tiền nhỏ, thường từ 10 đến 20 cent cho mỗi chai. Nhờ đó, một chai bia vừa được sử dụng xong không còn bị xem là rác thải mà trở thành một vật phẩm có giá trị kinh tế.

Cơ chế này tạo động lực để người dân chủ động thu gom chai thủy tinh, đồng thời giúp các nhà máy tái chế nhận được nguồn nguyên liệu đã được phân loại sơ bộ, sạch hơn và đồng nhất hơn rất nhiều so với việc thu gom từ rác sinh hoạt hỗn hợp.

Vận chuyển đến nhà máy tái chế
Khi các máy hoàn trả chai đầy, các đơn vị thu gom sẽ điều động xe chuyên dụng đến tiếp nhận. Những thùng nhựa lớn, mỗi thùng có thể chứa hàng nghìn chai thủy tinh rỗng, được xe nâng đưa lên xe tải để vận chuyển. Một xe tải cỡ lớn có thể chở từ 20.000 đến 30.000 chai trong mỗi chuyến, tương đương khoảng 10-12 tấn vật liệu.

Từ các siêu thị và điểm thu gom, những chiếc xe tải chở đầy chai thủy tinh sẽ di chuyển đến nhà máy tái chế. Khi đến nơi, toàn bộ số chai được đổ vào các khu vực lưu trữ quy mô lớn. Chỉ trong vài phút, hàng chục nghìn chai thủy tinh tạo thành những ngọn núi vật liệu với đủ màu sắc khác nhau. Dù trông giống như những đống phế thải khổng lồ, đây thực chất là nguồn nguyên liệu đầu vào quan trọng của toàn bộ dây chuyền tái chế.

Làm sạch sơ bộ và loại bỏ tạp chất
Quá trình xử lý bắt đầu khi các xe xúc lớn thu gom thủy tinh từ bãi chứa và đưa đến phễu nạp liệu của nhà máy. Từ đây, vật liệu được đổ xuống hệ thống băng tải thông qua các máng thép. Ở giai đoạn này, dòng vật liệu vẫn chứa nhiều loại tạp chất như đất, cát, giấy, nhựa và các mảnh vụn khác.

Công đoạn làm sạch đầu tiên diễn ra tại hệ thống sàng rung. Các rung động cường độ cao giúp tách bụi, cát mịn và những hạt có kích thước nhỏ ra khỏi dòng vật liệu. Sau bước này, thủy tinh đã sạch hơn đáng kể nhưng vẫn còn nhiều tạp chất có kích thước lớn hơn. Dọc theo băng tải, công nhân sẽ trực tiếp kiểm tra và loại bỏ giấy, nhựa cũng như các vật liệu không mong muốn mà hệ thống tự động khó nhận diện. Sự kết hợp giữa thiết bị cơ khí và thao tác thủ công giúp tạo ra một dòng nguyên liệu sạch hơn, sẵn sàng cho các công đoạn tiếp theo.

Tách nắp chai bằng từ trường
Một trong những loại tạp chất phổ biến nhất còn sót lại trong dòng vật liệu là nắp chai. Phần lớn các nắp này được chế tạo từ kim loại nên có thể được loại bỏ hiệu quả bằng hệ thống tách từ công suất lớn. Khi vật liệu đi qua khu vực từ trường, các thành phần bằng sắt sẽ bị hút ra khỏi băng tải trong khi thủy tinh tiếp tục di chuyển về phía trước.

Sau công đoạn này, thủy tinh đạt độ sạch khoảng 80% và đã tiến gần hơn một bước đến quá trình tái chế thành sản phẩm mới.

Nghiền thành cullet – nguyên liệu thủy tinh tái chế
Sau khi loại bỏ phần lớn tạp chất, thủy tinh được chuyển đến công đoạn nghiền để tạo thành cullet (1). Các mảnh thủy tinh lớn được đưa vào máy nghiền búa, nơi những cánh búa quay với tốc độ cao liên tục va đập và nghiền nhỏ vật liệu. Những mảnh vẫn còn quá lớn sẽ được hệ thống tự động phát hiện và đưa trở lại máy nghiền cho đến khi đạt kích thước yêu cầu.
(1) Cullet là thuật ngữ trong ngành thủy tinh dùng để chỉ thủy tinh phế liệu đã được thu gom, làm sạch và nghiền nhỏ để tái sử dụng trong quá trình sản xuất thủy tinh mới.

Quy trình này giúp toàn bộ dòng vật liệu đạt độ đồng đều cao. Nhờ kích thước nhỏ, cullet nóng chảy nhanh hơn đáng kể so với việc sử dụng các nguyên liệu thô như cát silica hay đá vôi. Việc sử dụng cullet có thể giúp giảm tới 40% năng lượng tiêu thụ trong lò nung.

Phân loại bằng khí động học và hệ thống quang học
Sau khi nghiền, cullet được đưa qua hệ thống làm sạch bằng luồng khí tốc độ cao. Dòng không khí mạnh sẽ cuốn đi những mảnh nhãn dán còn sót lại cùng các tạp chất có khối lượng nhẹ, giúp nâng cao hơn nữa độ tinh khiết của vật liệu.

Tiếp theo là công đoạn được xem là chính xác nhất trong toàn bộ quy trình tái chế – hệ thống phân loại quang học. Khi cullet chảy qua thiết bị như một dòng thác thủy tinh, các cảm biến laser liên tục quét và phân tích từng hạt vật liệu. Hệ thống có khả năng nhận diện màu sắc, thành phần vật liệu cũng như sự xuất hiện của các tạp chất như gốm sứ.

Ngay khi phát hiện một mảnh thủy tinh màu nâu trong dòng thủy tinh trong suốt hoặc nhận diện một hạt gốm không mong muốn, hệ thống sẽ kích hoạt một luồng khí nén chính xác để thổi vật liệu đó sang một kênh riêng biệt. Hàng chục nghìn hạt vật liệu được xử lý mỗi phút với độ chính xác rất cao. Đây là yếu tố đặc biệt quan trọng vì chỉ một lượng rất nhỏ thủy tinh sai màu cũng có thể làm ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm tái chế cuối cùng.

Lưu trữ và phối trộn nguyên liệu
Sau khi được phân loại, cullet được vận chuyển đến các khu vực lưu trữ riêng theo từng màu sắc, chuẩn bị bước tiếp theo trong dây chuyền sản xuất.

Mặc dù cullet là thành phần quan trọng nhất của thủy tinh tái chế, vật liệu này không thể được đưa trực tiếp vào lò nung. Trước khi nấu chảy, cullet phải được phối trộn với nhiều loại nguyên liệu khác. Thành phần đầu tiên là cát silica – vật liệu tạo nên độ trong suốt của thủy tinh. Tiếp theo là natri cacbonat (Na₂CO₃), có tác dụng làm giảm nhiệt độ nóng chảy và giảm mức tiêu thụ năng lượng. Đá vôi được bổ sung nhằm tăng độ bền và độ ổn định cho sản phẩm hoàn thiện. Tùy theo yêu cầu kỹ thuật, nhà sản xuất còn có thể sử dụng thêm dolomite, alumina (nhôm oxit) hoặc các oxit kim loại để điều chỉnh màu sắc và đặc tính vật liệu.

Trong hỗn hợp phối liệu, cullet có thể chiếm từ 20% đến 70% tổng khối lượng. Nhờ khả năng nóng chảy nhanh hơn nguyên liệu thô, cullet giúp giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ. Trên thực tế, chỉ cần tăng thêm 10% cullet trong phối liệu cũng có thể giúp giảm khoảng 3% năng lượng sử dụng đồng thời cắt giảm đáng kể lượng phát thải CO₂. Sau khi được phối trộn theo các công thức được kiểm soát chặt chẽ, hỗn hợp nguyên liệu đã sẵn sàng cho công đoạn nấu chảy.

Nấu chảy thành thủy tinh lỏng
Hỗn hợp phối liệu được đưa vào lò nung đốt khí quy mô lớn hoạt động ở nhiệt độ khoảng 1.250°C. Các kỹ thuật viên liên tục giám sát quá trình vận hành trong khi công nhân phải sử dụng quần áo chống cháy và găng tay bảo hộ chuyên dụng để làm việc gần nguồn nhiệt cực lớn. Nhiệt độ môi trường xung quanh có thể đạt gần 3.000 độ, khiến các thiết bị bảo hộ trở thành yêu cầu bắt buộc.

Các nồi nấu bên trong lò được bịt kín nhằm duy trì nhiệt độ ổn định và đảm bảo quá trình nóng chảy diễn ra trong điều kiện được kiểm soát chặt chẽ. Sau khoảng 24 giờ, hỗn hợp nguyên liệu được chuyển hóa hoàn toàn. Những gì ban đầu chỉ là cát và khoáng chất giờ đây đã trở thành dòng thủy tinh lỏng. Thủy tinh lỏng tiếp tục được duy trì ở trạng thái nóng chảy trong khoảng 5 giờ nữa để các bọt khí còn sót lại có thời gian thoát ra ngoài, từ đó đảm bảo độ tinh khiết tối đa trước khi bước vào công đoạn tạo hình.

Thiết kế và chế tạo khuôn tạo hình
Để biến thủy tinh nóng chảy thành các chai thành phẩm, cần có những bộ khuôn được chế tạo với độ chính xác rất cao. Quá trình này bắt đầu khi các kỹ sư sử dụng phần mềm CAD để thiết kế khuôn với các thông số chính xác về kích thước, độ dày thành và các chi tiết kết cấu nhằm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt. Dựa trên các bản thiết kế số này, khuôn được chế tạo từ gang hoặc thép hợp kim có khả năng chịu được nhiệt độ lên tới khoảng 1.400°C. Sau khi hoàn thiện, các bộ khuôn sẽ được lắp đặt vào dây chuyền sản xuất để chuẩn bị cho công đoạn tạo hình.

Tạo hình chai bằng công nghệ Double Blow
Các bộ khuôn được tích hợp vào hệ thống tạo hình Double Blow – một trong những phương pháp phổ biến và đáng tin cậy nhất để sản xuất các sản phẩm thủy tinh rỗng như chai nước giải khát, lọ thực phẩm và bao bì dược phẩm.

Quá trình tạo hình bắt đầu khi thủy tinh nóng chảy được cắt từ dòng thủy tinh lỏng liên tục ở nhiệt độ khoảng 1.000°C. Thủy tinh nóng chảy cần có độ nhớt phù hợp cho quá trình tạo hình ổn định và được thả vào khuôn sơ bộ.

Bên trong khuôn sơ bộ, khí nén được thổi từ phía trên xuống, ép khối thủy tinh nóng ra sát thành khuôn. Quá trình này tạo ra một hình dạng trung gian gọi là parison – một cấu trúc rỗng giống như bong bóng với phần cổ chai đã được hình thành sơ bộ và vẫn phát sáng do nhiệt độ rất cao.

Parison sau đó được chuyển sang khuôn hoàn thiện nằm ngay bên cạnh trên cùng dây chuyền sản xuất. Khi đã vào đúng vị trí, một luồng khí nén thứ hai được thổi trực tiếp vào bên trong parison. Khối thủy tinh mềm tiếp tục giãn nở cho đến khi áp sát hoàn toàn vào mọi đường nét và chi tiết bên trong lòng khuôn. Chỉ trong vài giây, hình dạng cuối cùng của chai đã được tạo thành.

Nhìn từ bên ngoài, quá trình này diễn ra rất nhanh và đơn giản. Tuy nhiên, phía sau đó là sự phối hợp cực kỳ chính xác của các van, cơ cấu chấp hành và cảm biến. Mọi thao tác đều được đồng bộ tới từng phần nghìn giây, cho phép các nhà máy sản xuất hàng trăm nghìn chai thủy tinh mỗi ngày với chất lượng gần như đồng nhất tuyệt đối.

Làm nguội có kiểm soát
Ngay sau khi rời khỏi khuôn, các chai thủy tinh vẫn mang nhiệt lượng rất lớn. Bề mặt của chúng phát ra ánh sáng đỏ rực trong môi trường nhà máy tối màu, trông giống như những thanh kim loại vừa được nung nóng.

Các cánh tay robot được lập trình sẵn sẽ tiếp cận từng chai với độ chính xác cao, nhẹ nhàng nhấc chúng lên và đặt lên hệ thống băng tải. Toàn bộ quá trình diễn ra một cách đồng bộ và liên tục, gần như không có bất kỳ chuyển động thừa nào.

Từ đây, các chai mới tạo hình được vận chuyển đến khu vực làm nguội. Chúng đi qua một đường hầm dài, nơi nhiệt độ được giảm dần theo từng giai đoạn được kiểm soát chặt chẽ. Quá trình hạ nhiệt từ từ này giúp ngăn ngừa ứng suất nhiệt hình thành bên trong vật liệu, từ đó giảm nguy cơ nứt vỡ trong quá trình sử dụng.

Tùy thuộc vào yêu cầu sản xuất, công đoạn làm nguội có thể kéo dài từ vài phút đến hàng chục phút trước khi sản phẩm sẵn sàng cho các bước kiểm tra chất lượng.

Kiểm tra chất lượng tự động
Sau khi được làm nguội, các chai thủy tinh được đưa đến khu vực kiểm tra chất lượng. Tại đây, hệ thống camera tốc độ cao và các cảm biến quang học sẽ kiểm tra từng chai theo thời gian thực nhằm phát hiện các khuyết tật như vết nứt, bọt khí, vết xước, biến dạng hoặc các lỗi khác có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

Nếu phát hiện bất kỳ sai lỗi nào, hệ thống sẽ ngay lập tức nhận diện và loại bỏ chai đó khỏi dây chuyền sản xuất.

Sau bước kiểm tra tổng thể, chai tiếp tục trải qua một công đoạn kiểm tra chuyên biệt dành cho phần miệng chai. Hệ thống tự động sẽ xoay từng chai trong khi các cảm biến quang học và đầu dò cơ khí tiến hành đo đạc và kiểm tra chi tiết. Các lỗi như sứt mẻ, vết nứt siêu nhỏ hoặc sai lệch kích thước đều được phát hiện với độ chính xác rất cao.

Chỉ những sản phẩm vượt qua toàn bộ các bước kiểm tra nghiêm ngặt này mới được phép tiếp tục đến công đoạn tiếp theo.

Đóng pallet và chuẩn bị vận chuyển

Những chai đạt tiêu chuẩn sẽ được chuyển đến khu vực xếp pallet, nơi các hệ thống robot đảm nhiệm toàn bộ công việc sắp xếp và đóng gói. Được thiết kế để vận hành với độ chính xác cao, các robot có thể xử lý hàng nghìn chai cùng lúc và sắp xếp chúng thành các cụm đồng đều.

Các cơ cấu kẹp sử dụng giác hút sẽ hạ xuống, nâng cả một hàng chai và đặt chúng lên pallet theo đúng vị trí được lập trình sẵn. Giữa mỗi lớp chai sẽ có các tấm đệm bảo vệ nhằm giảm thiểu nguy cơ va đập trong quá trình vận chuyển.

Khi pallet được hoàn thiện, hệ thống quấn màng tự động sẽ cố định toàn bộ lô hàng bằng lớp màng bảo vệ. Sau đó, một mã nhận dạng sẽ được gắn lên pallet để liên kết với lô sản xuất tương ứng, phục vụ công tác truy xuất nguồn gốc và kiểm soát chất lượng.

Các pallet thành phẩm được chuyển đến khu vực kho lưu trữ, nơi chúng được sắp xếp gọn gàng và chờ xuất xưởng. Từ đây, những chai thủy tinh mới sẽ bắt đầu hành trình tiếp theo của mình đến các nhà máy sản xuất đồ uống trên khắp thế giới.

Chiết rót đồ uống vào chai thủy tinh
Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của các chai thủy tinh tái chế là đóng gói đồ uống. Trước khi được chiết rót, mỗi chai đều phải trải qua quá trình làm sạch kỹ lưỡng bằng nước nóng áp suất cao và hơi nước nhằm loại bỏ bụi bẩn, cặn bám và các tác nhân gây ô nhiễm tiềm ẩn.

Sau đó, các chai được đưa lên băng tải tốc độ cao và di chuyển đến khu vực chiết rót. Tại đây, các đầu chiết tự động sẽ bơm đồ uống vào từng chai với thể tích được kiểm soát chính xác. 

Ngay sau công đoạn chiết rót, các chai được chuyển đến hệ thống đóng nắp, nơi nắp kim loại được ép chặt bằng các thiết bị chuyên dụng có độ chính xác cao. Mỗi nắp chai sau đó đều được kiểm tra bằng các cảm biến tích hợp trên dây chuyền nhằm đảm bảo độ kín tuyệt đối, ngăn ngừa mọi nguy cơ rò rỉ trước khi sản phẩm được đưa ra thị trường.

Tiếp theo, các hệ thống camera tốc độ cao sẽ kiểm tra từng chai để phát hiện các lỗi như nứt vỡ, chiết rót quá mức hoặc dán nhãn không đúng quy cách.

Hoàn thiện sản phẩm và phân phối toàn cầu
Sau khi vượt qua tất cả các bước kiểm tra, các chai đồ uống tiếp tục di chuyển trên băng tải trong đội hình đồng đều và chính xác. Trong quá trình này, chúng đi qua một trạm phun nước, nơi các tia nước lạnh áp suất cao được phun trực tiếp lên phần cổ chai như một phần của quy trình xử lý cuối cùng.

Những chai đồ uống đã hoàn thiện sau đó được đóng vào thùng carton, xếp lên pallet và đưa vào kho lạnh. Từ đây, chúng được vận chuyển đến các điểm bán và đến tay khách hàng.

Quy trình tái chế thủy tinh
Như vậy, quy trình tái chế thủy tinh đã hoàn tất. Từ những chai bỏ đi và các mảnh thủy tinh vỡ tưởng chừng vô giá trị, vật liệu này đã được biến đổi trở lại thành những chai thủy tinh mới với chất lượng cao, sẵn sàng bước vào một vòng đời sử dụng tiếp theo.

Khả năng tái chế nhiều lần mà không làm suy giảm chất lượng khiến thủy tinh trở thành một trong những ví dụ tiêu biểu nhất về sản xuất bền vững. Không chỉ góp phần giảm lượng chất thải ra môi trường, công nghệ tái chế thủy tinh còn cho thấy cách ngành công nghiệp hiện đại có thể liên tục thu hồi và tái sử dụng các nguồn tài nguyên có giá trị, biến những gì từng được xem là rác thải thành nguyên liệu cho các sản phẩm mới hết lần này đến lần khác.

Tiếp tục khám phá chuyên đề Môi trường và Tái chế trên trang technologyMAG
Bài viết này là một phần trong chuỗi nội dung chuyên sâu về môi trường, xử lý chất thải, tái chế và kinh tế tuần hoàn do technologyMAG thực hiện nhằm cập nhật những công nghệ, giải pháp và dự án mới nhất tại Việt Nam cũng như trên thế giới. Trong bối cảnh các yêu cầu về phát triển bền vững, giảm phát thải và sử dụng hiệu quả tài nguyên ngày càng được quan tâm, ngành môi trường và tái chế đang trở thành một trong những lĩnh vực quan trọng của nền kinh tế hiện đại.

Để giúp độc giả thuận tiện theo dõi toàn bộ nội dung liên quan, Ban biên tập technologyMAG đã xây dựng trang tổng hợp chuyên đề Môi trường và Tái chế, bao gồm các nhóm bài viết về xử lý chất thải, tái chế nhựa, giấy, kim loại, thủy tinh, dệt may, rác thải điện tử, xử lý nước, kinh tế tuần hoàn, công nghệ môi trường và các dự án tiêu biểu tại Việt Nam và quốc tế.

Tìm hiểu thêm về chuyên đề Môi trường và Tái chế tại:
https://www.technologymag.net/technologymag-gioi-thieu-loat-tin-bai-chu-de-moi-truong-tai-che/

Để xem các tin bài khác về “Tái chế thủy tinh”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: The Factoran