Bất chấp những tiến bộ công nghệ gần đây và sự phát triển dần dần của các khái niệm kinh tế tuần hoàn, thị trường sản phẩm nhiệt phân lốp xe vẫn còn non trẻ. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu về carbon đen, phân tích sâu hơn về các lĩnh vực ứng dụng của carbon đen nguyên sinh và đánh giá tiềm năng của carbon đen tái chế trong việc thay thế vật liệu nguyên sinh gây hại cho môi trường.

Cuối bài viết này, chúng tôi ước tính quy mô thị trường hàng năm có thể có của than đen tái chế, với giả định khiêm tốn rằng tỷ lệ thay thế than đen nguyên chất là 20%. Gợi ý: các con số cho thấy sản xuất than đen tái chế là một ngành kinh doanh có lợi nhuận và nhiều cơ hội.

Carbon đen: Giới thiệu và định nghĩa

Theo truyền thống, Carbon Black (CB) được sử dụng làm chất gia cường và chất độn trong lốp xe ô tô. Cùng với việc hiểu rõ hơn về các đặc tính độc đáo của CB như một vật liệu, hiện nay nó được sử dụng trong nhiều ứng dụng hơn trên nhiều loại sản phẩm khác nhau – lốp xe ô tô, băng tải, mực in, ống nhựa, thảm cao su, đế giày, v.v. CB nguyên chất chỉ chứa một lượng nhỏ tạp chất và hàm lượng carbon gần như 100%.

Than đen nguyên chất (vCB) là vật liệu dạng bột đen mịn được tạo ra từ quá trình đốt cháy không hoàn toàn các sản phẩm dầu mỏ nặng như hắc ín FCC, hắc ín than đá, hoặc hắc ín cracking etylen. Than đen là một dạng carbon paracrystalline có tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao, mặc dù thấp hơn than hoạt tính. Ứng dụng khối lượng lớn nhất của than đen là làm chất độn gia cường trong các sản phẩm cao su, đặc biệt là lốp xe. Mặc dù lưu hóa gôm styrene-butadiene nguyên chất có độ bền kéo không quá 2 MPa và khả năng chống mài mòn không đáng kể, nhưng việc pha trộn với 50% trọng lượng than đen sẽ cải thiện độ bền kéo và khả năng chống mài mòn của nó.

Than Carbon (CC) hay còn gọi là Carbon Black (rCB) thô là một trong những sản phẩm trực tiếp của quá trình nhiệt phân. Vật liệu này có giá trị thấp và ít ứng dụng, chẳng hạn như sản xuất năng lượng trong lò nung xi măng. Do đó, than Carbon cần được tinh chế theo yêu cầu của thị trường và ứng dụng cuối cùng để sử dụng như một sản phẩm kỹ thuật trong các ứng dụng có giá trị cao.

ASTM International – một cơ quan tiêu chuẩn hóa giới thiệu các định nghĩa chính về sản phẩm và vật liệu với hơn 12.800 tiêu chuẩn ASTM đang được áp dụng trên toàn thế giới – gần đây đã công bố tiêu chuẩn đầu tiên liên quan đến Carbon Black thu hồi (rCB).

CácỦy ban ASTM D36 về Carbon Black thu hồi (rCB)được thành lập năm 2017 nhằm hỗ trợ ngành công nghiệp rCB đang phát triển về chất lượng và độ an toàn của sản phẩm. Một số tiểu ban chịu trách nhiệm phát triển các tiêu chuẩn về thuật ngữ, hướng dẫn, thực hành và phương pháp thử nghiệm.

Tiêu chuẩn ASTM mới (D8178) đáp ứng nhu cầu về một bộ thuật ngữ chung để phân biệt rõ ràng giá trị của rCB với Carbon Char (CC). Ngoài ra, tiêu chuẩn này còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền đạt thông tin về hiệu suất của rCB trong các ứng dụng được đề xuất. D8178 nêu rõ tầm quan trọng của sự khác biệt giữa Char, Carbon Black (theo định nghĩa của Tiêu chuẩn ASTM D3053), Carbon Black thô thu hồi và Carbon Black (rCB).

Quan trọng nhất, tên sản phẩm "Carbon đen thu hồi" (rCB) chỉ nên áp dụng nếu Carbon đen thô được loại bỏ kim loại và sợi và được nghiền, nếu không thì rCB thường có đặc tính bán gia cường trong cao su.

Có một số quy trình để tinh chế và gia tăng giá trị cho rCB thô (CC) theo yêu cầu cuối cùng của sản phẩm. Quy trình này có thể giới hạn ở việc sàng lọc kích thước và tách tạp chất (kim loại và sợi) hoặc sử dụng hóa chất hoặc các quy trình khác để loại bỏ một số thành phần bên trong vật liệu. Than carbon tinh chế thu được từ quá trình nhiệt phân lốp xe có thể được dán nhãn là Carbon Black (rCB) và có thể được điều chỉnh bằng nhiều quy trình khác nhau để sử dụng trong sản xuất phụ tùng và được tinh chế thêm để sử dụng trong ngành công nghiệp hóa chất làm chất màu và chất độn trong mực in, sơn và các vật liệu khác.

Quá trình hậu xử lý CC thành rCB rất phức tạp và đòi hỏi công nghệ đầu tư lớn. Việc tinh chế vật liệu này hơn nữa sẽ cải thiện đáng kể các đặc tính của than carbon, loại bỏ một tỷ lệ rất lớn tạp chất và chuyển đổi nó thành một mặt hàng có giá trị cao, có thể tái tạo ở mức độ hợp lý các đặc tính của than đen nguyên chất. Tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng và hiệu suất, rCB có thể thay thế từ 10% đến 100% vCB trong các quy trình sản xuất khác nhau.

Ứng dụng thần thánh của Carbon Black (rCB) tái chế sẽ được ngành sản xuất lốp xe sử dụng. Ngành công nghiệp lốp xe chiếm phần lớn lượng tiêu thụ carbon black trên toàn thế giới. Tuy nhiên, ngành công nghiệp lốp xe đang chậm thay thế hàm lượng vCB cao hơn bằng rCB hoặc chấp nhận số lượng lớn trong sản xuất do những hạn chế về quy định, hình ảnh và lo ngại về nguồn cung. Tuy nhiên, cũng có một xu hướng rõ ràng hướng tới việc chấp nhận rCB trong các nhà sản xuất lốp xe. Trong số những công ty khác, Michelin đã mua lại cổ phần đáng kể trong một công ty nhiệt phân lốp xe của Thụy Điển và đang lên kế hoạch xây dựng nhà máy sản xuất rCB ở Nam Mỹ.

Tổng quan về công dụng của than đen

Carbon đen nguyên chất đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ như một chất gia cường trong lốp xe và đã trở thành vật liệu chủ chốt cho toàn bộ ngành công nghiệp cao su. Nhờ những đặc tính độc đáo, carbon đen được sử dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp cao su lốp xe và không lốp xe, và đã được mở rộng sang các chất tạo màu, ổn định tia cực tím (UV) và chất dẫn điện trong nhiều sản phẩm hiệu suất cao hàng ngày và chuyên dụng. Hiệp hội Carbon đen quốc tế (ICBA) đã phân loại các ứng dụng của carbon đen như sau:

• Lốp xe và các sản phẩm cao su công nghiệp: Carbon đen được thêm vào cao su như một chất độn và một chất gia cường hoặc gia cường. Đối với nhiều loại lốp xe, nó được sử dụng trong lớp lót bên trong, khung lốp, thành lốp và gai lốp, sử dụng các loại khác nhau tùy theo yêu cầu hiệu suất cụ thể. Carbon đen cũng được sử dụng trong nhiều sản phẩm cao su công nghiệp đúc và đùn, chẳng hạn như dây đai, ống mềm, gioăng, màng chắn, bộ cách ly rung, ống lót, lò xo khí, cản gầm xe, và nhiều loại má phanh, ống lót, cần gạt nước, bánh xe băng tải và ống lót.
• Nhựa: Carbon đen hiện được sử dụng rộng rãi trong bao bì dẫn điện, màng phim, sợi, khuôn đúc, ống và hợp chất cáp bán dẫn trong các sản phẩm như bao đựng rác, túi công nghiệp, hộp đựng ảnh, màng phủ nông nghiệp, màng bọc co giãn và ứng dụng đúc nhiệt dẻo cho ô tô, điện/điện tử, thiết bị gia dụng và hộp đựng thổi.
• Hợp chất phóng tĩnh điện (ESD): Carbon đen được thiết kế cẩn thận để chuyển đổi đặc tính điện từ cách điện sang dẫn điện trong các sản phẩm như bao bì điện tử, ứng dụng an toàn và phụ tùng ô tô.
• Lớp phủ hiệu suất cao: Carbon đen cung cấp sắc tố, độ dẫn điện và khả năng bảo vệ tia UV cho một số ứng dụng sơn phủ bao gồm sơn ô tô (lớp sơn lót và lớp sơn bóng), sơn hàng hải, hàng không vũ trụ, sơn trang trí, sơn gỗ và sơn công nghiệp.
• Mực in và mực in: Than đen cải thiện công thức và mang lại sự linh hoạt trong việc đáp ứng các yêu cầu về màu sắc cụ thể.

Mặc dù carbon đen có nhiều công dụng, nhưng mỗi ứng dụng lại yêu cầu chất lượng và tính chất khác nhau của carbon đen.

Chất lượng than đen phụ thuộc vào quy trình và thiết bị. Do đó, khi quyết định mua thiết bị, cần cân nhắc chất lượng than đen mong muốn và nhu cầu của các ứng dụng này.

Tiềm năng thị trường và các động lực chính thúc đẩy nhu cầu rCB

Xét đến việc rCB là sự thay thế một phần và toàn diện cho vCB trong nhiều ngành công nghiệp, tiềm năng thị trường của rCB được xác định bởi thị trường vCB hiện tại. Theo nhiều chuyên gia trong ngành và ước tính của chúng tôi, trong năm năm qua, mức tiêu thụ vCB trên toàn thế giới đã liên tục tăng và ước tính đạt khoảng 11-13 triệu tấn mỗi năm. Con số này tương đương với tổng giá trị thị trường hàng năm gần 16 tỷ euro.

Ứng dụng phổ biến nhất của vCB là trong các ứng dụng cao su và nhựa (do đặc tính vừa là chất độn vừa là chất gia cường). Nhờ khả năng gia cường cao su, vCB được sử dụng rộng rãi trong ngành sản xuất lốp xe. Trong các ứng dụng cao su và nhựa khác, nó được sử dụng làm chất độn. Trong trường hợp này, chất độn là một chất pha loãng và chủ yếu được sử dụng để giảm chi phí khối lượng. Các ứng dụng này chiếm hơn 95% tổng lượng tiêu thụ CB trên toàn thế giới. Khoảng 4% CB được sử dụng làm bột màu mực nhờ đặc tính pha màu tuyệt vời của nó, và phần còn lại được sử dụng cho các ứng dụng khác.

Biểu đồ: Thị trường sử dụng cuối cùng của than đen

Ngành công nghiệp lốp xe vẫn là ngành tiêu thụ muội than nguyên chất lớn nhất, với tổng mức tiêu thụ khoảng 9 triệu tấn trong những năm gần đây. Ngành này bao gồm một số ít các công ty lớn đang thống trị thị trường và có mối quan hệ chặt chẽ với các nhà cung cấp. Ngành này chiếm khoảng 70% lượng tiêu thụ muội than toàn cầu, trong đó lốp xe du lịch chiếm 45%, lốp xe tải và xe buýt chiếm 32%, và các loại lốp khác chiếm 23% (OTR, xe máy, máy bay, v.v.).

Các sản phẩm cao su không dùng cho lốp xe là phân khúc tiêu thụ muội than lớn thứ hai, chiếm 20% tổng thể, tương đương khoảng 2-2,5 triệu tấn mỗi năm. Con số này bao gồm tất cả các ứng dụng cao su, ngoại trừ lốp xe và lốp tái chế, và phần lớn được phân bổ trong một số ngành công nghiệp sản xuất sản phẩm cho dây đai cao su, dây cao su, cao su công nghiệp và các ngành công nghiệp khác sử dụng muội than trong hoạt động pha chế.

Nhựa và mực in có thể được phân loại là thị trường chuyên biệt và chiếm gần 10% lượng tiêu thụ vCB – 1-1,2 triệu tấn mỗi năm. Phân khúc này cũng đa dạng về các ứng dụng cuối cùng, với các cấp độ và công thức CB tùy chỉnh khác nhau cần thiết để đạt được hiệu suất cụ thể. Việc sử dụng vCB trong phân khúc này chủ yếu tập trung vào việc làm chất tạo màu hoặc chất độn hiệu suất.

Trong khi nghiên cứu của chúng tôi cho thấy có thể thay thế tới 100% carbon đen nguyên chất trong một số ứng dụng (ví dụ: hạt nhựa tổng hợp, sản phẩm lợp mái, mực in, v.v.), thì các ứng dụng khác có con số khiêm tốn hơn. Ví dụ, 30%-50% vCB có thể được thay thế bằng rCB trong thành lốp xe ô tô chở khách.

Giả sử tỷ lệ thay thế là 20%, chúng tôi ước tính rằng khối lượng hàng năm của thị trường rCB toàn cầu có thể đạt khoảng 3,2 tỷ EUR.

Điều này khiến hoạt động nhiệt phân tập trung vào sản xuất rCB trở thành một dự án sinh lời. Mặc dù thành công của doanh nghiệp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như công nghệ sản xuất và chất lượng đầu ra, nhưng vẫn có rất nhiều cơ hội thị trường dành cho các nhà vận hành nhiệt phân.

Chúng tôi chỉ nhìn thấy tiềm năng của carbon đen tái chế trên thị trường CB toàn cầu, nhưng chúng tôi cũng tin rằng sự tăng trưởng này là tất yếu do sự chuyển dịch chính trị liên tục của các nền kinh tế phát triển sang các công nghệ bền vững và thân thiện với môi trường. Ngày nay, những công ty mới tham gia thị trường có cơ hội độc đáo để định hình và dẫn dắt ngành công nghiệp rCB trong những thập kỷ tới.

Cần có những nỗ lực chung để thúc đẩy tiềm năng của ngành

Tuy nhiên, để thúc đẩy việc sử dụng than đen thu hồi trong ngành và đẩy nhanh sự phát triển của ngành rCB, cần có sự chung tay của tất cả các bên liên quan. Ngành rCB phụ thuộc rất nhiều vào các quy định và nghiên cứu. Điều này cần thiết để các nhà máy nhiệt phân tạo ra sản lượng đồng đều và ổn định hơn, trong khi điều này sẽ thúc đẩy ngành này tham gia vào vòng tuần hoàn của nền kinh tế tuần hoàn.

Những hạn chế về quy định trong các ngành công nghiệp lớn chủ yếu là do việc thiếu tiêu chuẩn hóa rCB. Tin tốt là ASTM đang có những tiến triển trong vấn đề này và đang xây dựng các tiêu chuẩn cụ thể cho rCB. Vì các phương pháp xác định đặc tính muội than thông thường dựa trên phép đo mức độ cấu trúc và diện tích bề mặt có thể không tương quan với hiệu suất trong cao su ở mức độ tương đương đối với các sản phẩm muội than thu hồi, ASTM sẽ thúc đẩy việc xác định các phương pháp thử nghiệm cụ thể cho rCB. Tuy nhiên, rCB là một sản phẩm bền vững xét về mặt kinh tế tuần hoàn và mang lại những lợi ích khác nhau cho các ứng dụng khác nhau.