Giải quyết bài toán hóc búa về lưu trữ hydro
Nhóm tác giả nghiên cứu tin rằng, phương pháp này sẽ giúp thế giới giải quyết bài toán hóc búa về lưu trữ hydro bằng cách cho phép bảo quản và vận chuyển một cách an toàn lượng hydro xanh khổng lồ ở dạng rắn với chi phí năng lượng rất nhỏ. Điều này sẽ cho phép chúng ta đẩy nhanh quá trình hấp thụ hydro xanh, cũng như cho phép các nhà máy lọc dầu sử dụng ít năng lượng hơn gấp nhiều lần và làm cho việc xử lý các loại khí khác dễ dàng hơn.
Các nhà máy lọc dầu sử dụng một lượng lớn năng lượng để biến dầu thô thành khí đốt, xăng và dầu diesel (ảnh: Getty).
Hiện tại, việc phân tách dầu thô thành xăng và các khí khác trong những nhà máy lọc dầu tiêu tốn rất nhiều năng lượng (chiếm tới 15% năng lượng sử dụng trên thế giới). Trong khi đó, ước tính nếu sử dụng phương pháp mới này sẽ cắt giảm mức sử dụng năng lượng lên đến 90%.
Tại sao phương pháp này được coi là đột phá?
Nhóm nghiên cứu sử dụng một phương pháp mới được gọi là “phay bi” để lưu trữ khí trong vật liệu nano, đặc biệt ở nhiệt động phòng. Phương pháp này dựa trên các phản ứng cơ học (có nghĩa là máy móc được sử dụng để tạo ra các phản ứng bất thường). Thành phần đặc biệt trong quá trình này là bột boron nitride - một hợp chất hấp thụ tốt với diện tích bề mặt lớn.
Bột boron nitride được đưa vào một máy nghiền bi - một máy xay có chứa các viên bi thép không gỉ nhỏ trong một buồng - cùng với các khí cần được tách ra. Khi buồng quay tăng dần tốc độ, sự va chạm của các quả bóng với bột và thành của buồng sẽ kích hoạt một phản ứng cơ học đặc biệt, dẫn đến khí bị hấp thụ vào bột.
Theo cách này, khí sẽ luôn được hấp thụ nhanh hơn, đồng thời được tách ra khỏi các loại khí khác và cho phép dễ dàng lấy ra khỏi máy xay. Quá trình này có thể được lặp lại nhiều lần để tách ra được các loại khí mong muốn. Khí sẽ được lưu trữ trong bột để dễ dàng vận vận chuyển và tách trở lại thành khí khi cần. Đặc biệt, bột boron nitride có thể được tận dụng để thực hiện cùng một quá trình tách và lưu trữ khí lên đến 50 lần.
Bên cạnh đó, phương pháp mới này không yêu cầu hóa chất nguy hiểm, không tạo ra sản phẩm phụ và không yêu cầu các cài đặt tiêu tốn nhiều năng lượng như áp suất cao hoặc nhiệt độ thấp, qua đó giúp tiết kiệm đáng kể chi phí so với các phương pháp truyền thống.
Quá trình hấp thụ khí bằng máy phay bi sử dụng khoảng 77 kilojoules mỗi giây để lưu trữ và phân tách 1.000 lít khí. Kết quả này cho thấy, phương pháp mới sử dụng năng lượng hơn ít nhất 90% so với phương pháp chưng cất đông lạnh được sử dụng trong các nhà máy lọc dầu. Đó là lý do tại sao chúng ta có thể tin rằng bước đột phá này sẽ đánh dấu một trong 7 cải tiến phương pháp tách hóa học có thể thay đổi thế giới, cụ thể là cải thiện việc tách olefin-parafin - một phần quan trọng của ngành công nghiệp hóa dầu.
Phương pháp này liệu có giúp chúng ta chuyển sang năng lượng sạch?
Cuộc khủng hoảng khí đốt đã và đang thu hút sự chú ý của toàn nhân loại. Để giải quyết vấn đề này, ngày càng có nhiều lời kêu gọi đẩy nhanh việc chuyển sang sử dụng nhiên liệu khí sạch hơn như hydro xanh.
Tuy nhiên, vấn đề với những khí này nằm ở việc lưu trữ. Việc lưu trữ một lượng lớn hydro để sử dụng trong thực tế là rất khó khăn. Hiện nay, chúng ta tích trữ hydro trong bình cao áp hoặc bằng cách làm lạnh khí thành dạng lỏng. Cả hai phương pháp này đều đòi hỏi một lượng lớn năng lượng, cũng như các quy trình và hóa chất nguy hiểm.
Đó là lý do mà phương pháp mới được kỳ vọng có thể giúp đẩy nhanh quá trình hấp thụ hydro, bằng cách cho phép công nghệ lưu trữ trạng thái rắn an toàn và hiệu quả trên quy mô lớn. Khi được lưu trữ dưới dạng bột, hydro cực kỳ an toàn. Để lấy khí, chúng ta chỉ cần làm nóng bột trong chân không.
Quy trình mới này có thể giúp chúng ta đạt được khả năng lưu trữ khí chưa từng có, vượt trội hơn bất kỳ vật liệu xốp nào đã biết. Ví dụ, chúng cho phép lưu trữ axetylen nhiều hơn 18 lần so với mức hấp thụ cao nhất khi sử dụng vật liệu từ khung kim loại - hữu cơ. Khả năng lưu trữ khí cao đáng kể là do các phân tử khí dính vào bột trong quá trình nghiền bi không làm phân tử khí bị vỡ.
Tuy nhiên, để phương pháp mới này có thể mở rộng quy mô, chúng ta phải hoàn thiện quá trình xay xát. Có một điểm cần chú ý trong quá trình xay xát để tạo ra các phản ứng hóa học yếu hơn mà chúng ta mong muốn, tránh tạo ra các phản ứng mạnh hơn có thể sẽ làm phá hủy các phân tử khí. Song song với đó, cũng sẽ phải tìm ra cách để có được tỷ lệ lưu trữ tốt nhất cho từng loại vật liệu dựa trên cường độ xay xát và áp suất của khí.
Với sự hỗ trợ của các ngành công nghiệp hiện đại, có thể hy vọng rằng, phương pháp này sẽ nhanh chóng được phát triển, mở rộng để cung cấp các giải pháp thiết thực nhằm đảm bảo thế giới không bao giờ phải đối mặt với cuộc khủng hoảng khí và có thể đẩy nhanh quá trình khử cacbon.
Bắc Lê (lược dịch theo The Conversation)