Phương pháp thu hồi carbon monoxide từ không khí tiết kiệm và hiệu quả

Nhóm nghiên cứu đến từ Học viện Công nghệ Georgia (Hoa Kỳ), dưới sự dẫn dắt của PGS Marta Hatzell đã phát minh ra một phương pháp mới giúp cho việc thu hồi carbon dioxide (CO₂) trong quá trình thu hồi carbon trở nên tiết kiệm và ít tốn năng lượng hơn. Đặc biệt, CO₂ được thu hồi thông qua quá trình này có thể được sử dụng để sản xuất nhựa mới, các loại hoá chất và nguyên liệu.

Một phương pháp mới được phát triển để chuyển đổi carbon dioxide được loại bỏ khỏi không khí thành các nguyên liệu thô hữu ích.

Trong bối cảnh nhiệt độ trái đất dần tăng lên, các nhà khoa học đang cố gắng tìm cách giảm thiểu lượng khí nhà kính trong không khí như CO₂. Một phương pháp phổ biến là ngăn chặn sự phát thải của khí này bằng cách sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió. Tuy nhiên, một số nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc thu hồi CO₂ đã có trong không khí.

CCS (Carbon Capture and Storage) là quá trình thu hồi carbon dưới dạng khí CO₂ từ các nguồn phát thải, sau đó được vận chuyển tới các điểm lưu giữ an toàn, lâu dài như các cấu tạo địa chất sâu dưới lòng đất, lòng biển… CCS bao gồm 3 khâu chính: thu hồi, vận chuyển và lưu trữ carbon.

Quá trình thu hồi carbon thường được áp dụng tại các cơ sở sản xuất nơi CO2 được tạo ra như một sản phẩm phụ, hoặc thậm chí lấy trực tiếp từ không khí (Direct Air Capture -DAC). Thông thường, quá trình này được thực hiện bằng cách sử dụng các vật liệu hoặc hóa chất có khả năng hấp thụ CO₂. Tuy nhiên, cho đến nay, việc xây dựng và triển khai các hệ thống này vẫn khá phức tạp và đòi hỏi năng lượng đáng kể cũng như chi phí lớn. Hơn nữa, hiệu suất của chúng chỉ khoảng 50%, nghĩa là chỉ khoảng một nửa lượng CO₂ được xử lý.

Chiết xuất carbon monoxide từ các carbonat

Một trong những cách tiếp cận hóa học DAC đòi hỏi việc sử dụng kali hydroxide  (KOH) - một dung dịch kiềm có khả năng biến các phân tử CO2 thành các hợp chất carbonat phức tạp hơn. Tuy nhiên, tách CO₂ từ các carbonat trong quá trình thu hồi carbon là một bước tốn năng lượng và cũng đòi hỏi chi phí lớn để thực hiện.

Bộ thiết bị thí nghiệm được sử dụng để kiểm tra bộ phản ứng điện hóa mới trong quá trình thu hồi carbon.

Lợi ích từ việc sử dụng chất xúc tác

Theo Carlos Fernández - sinh viên tham gia tại Phòng thí nghiệm của Hatzell cho biết, phương pháp này giúp tiết kiệm khoảng 90% năng lượng trong quá trình thu hồi carbon và khoảng 50% chi phí vốn. Fernández giải thích thêm, hiện tại nhóm nghiên cứu đang thu hồi CO₂ từ các hợp chất carbonat, đây là một quá trình tự phát và không tốn nhiều năng lượng. Vì vậy nhóm nghiên cứu có thể loại bỏ quá trình hấp phụ và toàn bộ chi phí năng lượng từ quá trình đó.

Cấu hình nhóm nghiên cứu đưa ra đang hoạt động rất hiệu quả trong việc sử dụng lượng CO₂ di chuyển qua nó so với các hệ thống lưu trữ CO₂ dưới dạng khí. Hakhyeon Song -  nghiên cứu sinh sau tiến sỹ cho biết, hiệu suất sử dụng CO₂ mà phương pháp mới ở mức 70%, trong khi hệ thống lưu trữ dạng khí chỉ ở mức 35%. Thêm vào đó, mức độ sử dụng CO₂ tối đa trong các hệ thống lưu trữ dạng khí dựa trên lý thuyết là 50%, còn đối với phương pháp mới, hiệu suất tối đa có thể lên tới 100%. Như vậy, hiệu quả đạt được đã tăng gấp đôi.

Một tiến bộ quan trọng khác phải kể đến là khả năng hoạt động của chất xúc tác mới trong môi trường axit, vốn là hạn chế của các hệ thống sử dụng màng lưỡng cực hiện có. Khi lớp cuộn kháng và chất xúc tác chuyển sang trạng thái axit, một quá trình hóa học khác gọi là phản ứng tiến hóa hydro xảy ra và cạnh tranh với phản ứng khử CO₂ thành CO. Chất xúc tác dựa trên nickel sẽ giúp làm giảm sự can thiệp này, cho phép quá trình tạo ra CO tiếp tục.

Việc sản xuất khí CO từ CO₂ là một quá trình phức tạp, đòi hỏi nhiều năng lượng. Nhưng nếu thực hiện một cách kinh tế, nguyên liệu thô có thể được liên kết với các quy trình hóa học hiện có và biến thành các sản phẩm mới hữu ích. Đây là mục tiêu tiếp theo của nhóm. Fernández giải thích rằng, lý do nhóm nghiên cứu lựa chọn CO vì nó là một cơ sở tốt cho tất cả các hợp chất carbon, bởi lẽ bất kỳ hợp chất nào cũng có thể được chuyển đổi từ CO thông qua các quá trình nhiệt hóa học.