Công nghệ hấp thụ CO2 tiềm năng
GS Matthew Kanan - tác giả chính của nghiên cứu cho biết, Trái đất có nguồn khoáng sản dồi dào có thể loại bỏ CO2 khỏi khí quyển, nhưng chúng phản ứng quá chậm để có thể đối phó với lượng khí thải nhà kính do con người tạo ra. Mục tiêu của nhóm nghiên cứu là giải quyết vấn đề này theo cách có thể mở rộng quy mô một cách đột phá. Trong tự nhiên, các khoáng chất silicat phản ứng với nước và CO2 trong khí quyển để tạo thành ion bicarbonate ổn định và khoáng chất carbonate rắn - một quá trình được gọi là phong hóa. Tuy nhiên, quá trình này có thể mất hàng trăm đến hàng nghìn năm để hoàn tất. Kể từ những năm 1990, các nhà khoa học đã tìm cách tăng tốc quá trình hấp thụ CO2 của đá thông qua các kỹ thuật phong hóa tăng cường.
Khoáng chất silicat sẽ phản ứng với nước và CO2 trong khí quyển để tạo thành ion bicarbonate ổn định và khoáng chất carbonate rắn (nguồn: Stanford University).
GS Matthew Kanan và Yuxuan Chen - nghiên cứu sinh sau TS tại Stanford đã phát triển và thử nghiệm một quy trình mới giúp chuyển đổi silicat phong hóa chậm thành khoáng chất phản ứng nhanh hơn, có thể hấp thụ CO2 một cách nhanh chóng. Nhóm nghiên cứu hình dung ra một phản ứng hóa học mới để kích hoạt các khoáng chất silicat trơ thông qua một phản ứng trao đổi ion đơn giản. Yuxuan Chen chia sẻ, nhóm nghiên cứu cũng không ngờ rằng phương pháp này lại hoạt động tốt đến vậy.
Nhiều chuyên gia cho rằng, để ngăn chặn sự nóng lên toàn cầu, cần kết hợp việc cắt giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch và loại bỏ hàng tỷ tấn CO2 khỏi khí quyển. Tuy nhiên, các công nghệ loại bỏ carbon hiện nay vẫn còn đắt đỏ, tiêu tốn nhiều năng lượng hoặc chưa được chứng minh ở quy mô lớn. Một trong những công nghệ được quan tâm gần đây là thu giữ trực tiếp từ không khí (DAC), sử dụng các tấm quạt lớn để hút không khí qua các quá trình hóa học nhằm loại bỏ CO2.
GS Matthew Kanan cho biết, quy trình của nhóm nghiên cứu chỉ tiêu tốn chưa đến một nửa năng lượng so với các công nghệ DAC hàng đầu hiện nay và nhóm tin rằng có thể cạnh tranh tốt về mặt chi phí.
Phản ứng cacbonat hóa tự phát
Phương pháp mới được truyền cảm hứng từ kỹ thuật sản xuất xi măng có từ nhiều thế kỷ trước. Quá trình sản xuất xi măng bắt đầu bằng cách nung vôi (CaO) trong lò ở nhiệt độ khoảng 1.400°C. Sau đó, CaO được trộn với cát để tạo thành thành phần quan trọng trong xi măng. Nhóm nghiên cứu đã áp dụng quy trình tương tự trong lò thí nghiệm của họ, nhưng thay vì cát, họ kết hợp CaO với một khoáng chất chứa magie và ion silicat. Khi bị nung nóng, hai khoáng chất này trao đổi ion và chuyển hóa thành oxit magie (MgO) và silicat canxi (CaSiO3) - hai khoáng chất có tính kiềm, phản ứng nhanh với CO2 trong không khí.
GS Matthew Kanan giải thích, quá trình này hoạt động như một bộ nhân. Khi lấy một khoáng chất phản ứng nhanh là CaO, kết hợp với một silicat magie trơ sẽ tạo ra 2 khoáng chất phản ứng nhanh hơn. Trong thử nghiệm ở nhiệt độ phòng, khi tiếp xúc với nước và CO2 tinh khiết, CaSiO3 và MgO chuyển hóa hoàn toàn thành khoáng chất carbonate chỉ trong vòng 2 giờ. Khi thử nghiệm trong điều kiện thực tế với không khí có nồng độ CO2 thấp hơn, quá trình cacbonat hóa diễn ra trong vài tuần đến vài tháng, vẫn nhanh hơn hàng nghìn lần so với phong hóa tự nhiên.
Ứng dụng quy mô lớn
Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp này có thể được mở rộng để thu giữ CO2 trên quy mô công nghiệp. Ta có thể tưởng tượng việc rải MgO và CaSiO3 trên diện tích lớn để hấp thụ CO2 từ không khí. Một ứng dụng thú vị mà nhóm nghiên cứu đang thử nghiệm là thêm chúng vào đất nông nghiệp. Khi phong hóa, các khoáng chất này sẽ chuyển hóa thành bicarbonate và có thể di chuyển xuống tầng nước ngầm, cuối cùng được lưu trữ vĩnh viễn dưới đại dương.
Phương pháp mới đem lại lợi ích cho người nông dân (nguồn: internet).
Ngoài ra, phương pháp này có thể mang lại lợi ích cho nông dân. Thông thường, nông dân phải bón CaCO3 để nâng độ pH của đất khi bị chua. Việc bổ sung sản phẩm của nhóm nghiên cứu có thể thay thế nhu cầu bón vôi, vì cả MgO và CaSiO3 đều có tính kiềm. Hơn nữa, CaSiO3 còn giải phóng silic vào đất ở dạng mà cây có thể hấp thụ, giúp tăng năng suất và sức đề kháng của cây trồng. Nếu phương pháp này giúp cải thiện sản lượng nông nghiệp, nông dân có thể sẵn sàng trả tiền cho khoáng chất này, đồng thời góp phần loại bỏ CO2.
Hiện tại, phòng thí nghiệm của GS Matthew Kanan có thể sản xuất khoảng 15 kg vật liệu mỗi tuần. Tuy nhiên, để đạt quy mô đủ lớn nhằm tác động đáng kể đến nhiệt độ toàn cầu, sẽ cần sản xuất hàng triệu tấn MgO và CaSiO3 mỗi năm. Nhóm nghiên cứu cho biết, các lò nung xi măng hiện tại có thể sản xuất các vật liệu này từ nguồn khoáng chất phong phú như olivin và serpentin - hai loại đá phổ biến ở California, Balkan và nhiều khu vực khác. Đây cũng là các khoáng chất thải từ khai thác mỏ.
Yuxuan Chen cho biết, mỗi năm, hơn 400 triệu tấn chất thải khai khoáng có chứa silicat phù hợp được tạo ra trên toàn cầu, cung cấp nguồn nguyên liệu thô dồi dào. Ước tính có hơn 100.000 gigaton olivin và serpentin trên Trái đất đủ để loại bỏ CO2 nhiều hơn tổng lượng con người từng phát thải. GS Matthew Kanan cũng đang hợp tác phát triển các lò nung chạy bằng điện thay vì nhiên liệu hóa thạch. Chúng ta đã biết cách sản xuất hàng tỷ tấn xi măng mỗi năm và lò xi măng có thể hoạt động hàng thập kỷ. Nếu tận dụng các thiết kế này, chúng ta có thể mở rộng quy mô để loại bỏ CO2 một cách hiệu quả.
Xuân Bình (theo Stanford University)