Làm thế nào chúng ta có thể loại bỏ carbon dioxide, một loại khí nhà kính, từ khí thải của nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch trước khi nó đi vào bầu khí quyển?
Những phát hiện mới cho thấy một câu trả lời đầy hứa hẹn nằm ở một vật liệu đơn giản, kinh tế và có khả năng tái sử dụng được phân tích tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST), nơi các nhà khoa học từ một số tổ chức đã xác định lý do tại sao vật liệu này hoạt động tốt như vậy.
>> Tham khảo: Hệ thống tiên tiến đánh giá khả năng sinh sống của các hành tinh xa xôi.
Đối tượng nghiên cứu của nhóm là nhôm formate, một trong những loại chất được gọi là khung kim loại-hữu cơ (MOF). Với tư cách là một nhóm, MOF đã thể hiện tiềm năng to lớn trong việc lọc và tách các vật liệu hữu cơ – thường là các hydrocacbon khác nhau trong nhiên liệu hóa thạch – với nhau.
Một số MOF đã cho thấy nhiều hứa hẹn trong việc tinh chế khí tự nhiên hoặc tách các thành phần trị số octan của xăng; những người khác có thể góp phần giảm chi phí sản xuất nhựa hoặc chuyển đổi một chất này sang chất khác một cách rẻ tiền. Khả năng thực hiện các phân tách như vậy của chúng xuất phát từ bản chất xốp vốn có của chúng.
Nhôm formate, mà các nhà khoa học gọi là ALF, có khả năng tách carbon dioxide (CO2) khỏi các loại khí khác thường bay ra khỏi ống khói của các nhà máy nhiệt điện than.
>> Tham khảo: Đề xuất thay thế bền vững và giá cả phải chăng cho pin lithium-ion.
Hayden Evans của NIST, một trong những tác giả chính của bài báo nghiên cứu của nhóm, được công bố hôm nay trên tạp chí Science Advances, cho biết nó cũng không có những thiếu sót mà các vật liệu lọc carbon được đề xuất khác mắc phải.
Evans, nhà hóa học tại Trung tâm nghiên cứu neutron của NIST cho biết: “Điều khiến công việc này trở nên thú vị là ALF hoạt động thực sự tốt so với các chất hấp phụ CO2 hiệu suất cao khác, nhưng nó có thể cạnh tranh với các hợp chất thiết kế ở tính đơn giản, ổn định tổng thể và dễ điều chế”. (CNNR). “Nó được làm từ hai chất dễ tìm thấy và dồi dào, do đó, việc tạo ra đủ ALF để sử dụng rộng rãi có thể thực hiện được với chi phí rất thấp.”
Nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà khoa học đến từ Đại học Quốc gia Singapore; Cơ quan Khoa học, Công nghệ và Nghiên cứu của Singapore; Đại học Delaware; và Đại học California, Santa Barbara.
Các nhà máy nhiệt điện than chiếm khoảng 30% lượng khí thải CO2 toàn cầu. Ngay cả khi thế giới sử dụng các nguồn năng lượng khác như năng lượng mặt trời và năng lượng gió không tạo ra khí nhà kính, thì việc tìm cách giảm lượng khí thải carbon của các nhà máy hiện có có thể giúp giảm thiểu tác động của chúng trong khi chúng vẫn hoạt động.
Lọc CO2 khỏi khí thải trước khi nó đi vào bầu khí quyển ngay từ đầu là một cách tiếp cận hợp lý, nhưng việc tạo ra một thiết bị lọc hiệu quả đã tỏ ra khó khăn.
Hỗn hợp khí chảy lên ống khói của các nhà máy nhiệt điện than thường khá nóng, ẩm và ăn mòn – những đặc điểm gây khó khăn cho việc tìm kiếm một vật liệu kinh tế có thể thực hiện công việc một cách hiệu quả.
Một số MOF khác hoạt động tốt nhưng được làm bằng vật liệu đắt tiền; những loại khác ít tốn kém hơn nhưng chỉ hoạt động hiệu quả trong điều kiện khô ráo, đòi hỏi một “bước làm khô” giúp giảm độ ẩm của khí nhưng làm tăng chi phí tổng thể của quá trình lọc.
>> Tham khảo: Diệt ruồi đục quả cái: Tiềm năng khiến dịch hại giảm mạnh.
Evans nói: “Gọi tất cả lại với nhau, bạn cần một số loại vật liệu tuyệt vời. “Ở đây, chúng tôi đã cố gắng đánh dấu vào mọi ô ngoại trừ độ ổn định trong điều kiện rất ẩm ướt. Tuy nhiên, việc sử dụng ALF sẽ đủ rẻ để bước làm khô trở thành một lựa chọn khả thi.”
ALF được làm từ hydroxit nhôm và axit formic, hai loại hóa chất có rất nhiều và sẵn có trên thị trường. Evans cho biết nó sẽ có giá dưới 1 USD/kg, rẻ hơn tới 100 lần so với các vật liệu khác có hiệu suất tương tự. Chi phí thấp rất quan trọng vì việc thu giữ carbon tại một nhà máy có thể cần tới hàng chục nghìn tấn vật liệu lọc. Số lượng cần thiết cho toàn thế giới sẽ rất lớn.
Ở quy mô hiển vi, ALF giống như một lồng dây ba chiều với vô số lỗ nhỏ. Những lỗ này chỉ đủ lớn để cho phép các phân tử CO2 đi vào và bị giữ lại, nhưng chỉ đủ nhỏ để loại trừ các phân tử nitơ lớn hơn một chút tạo nên phần lớn khí thải.
Công việc nhiễu xạ neutron tại NCNR đã cho nhóm nghiên cứu thấy cách các lồng riêng lẻ trong vật liệu thu thập và lấp đầy CO2, tiết lộ rằng các phân tử khí vừa vặn bên trong các lồng nhất định trong ALF giống như một bàn tay trong găng tay, Evans nói.
Mặc dù có tiềm năng nhưng ALF vẫn chưa sẵn sàng để sử dụng ngay. Các kỹ sư sẽ cần thiết kế một quy trình để tạo ALF ở quy mô lớn.
Một nhà máy đốt than cũng sẽ cần một quy trình tương thích để giảm độ ẩm của khí thải trước khi làm sạch nó. Evans nói rằng người ta đã hiểu rất nhiều về cách giải quyết những vấn đề này và họ sẽ không làm cho chi phí sử dụng ALF trở nên quá cao.
>> Tham khảo: Các nhà nghiên cứu chế tạo men vi sinh để sản xuất beta-carotene.
Ông nói, phải làm gì với CO2 sau đó cũng là một câu hỏi lớn, mặc dù đây là vấn đề đối với tất cả các vật liệu thu giữ carbon.
Có những nỗ lực nghiên cứu đang được tiến hành để chuyển đổi nó thành axit formic – không chỉ là một vật liệu hữu cơ tự nhiên mà còn là một trong hai thành phần của ALF.
Ý tưởng ở đây là ALF có thể trở thành một phần của quy trình tuần hoàn trong đó ALF loại bỏ CO2 khỏi dòng khí thải và CO2 thu được đó được sử dụng để tạo ra nhiều axit formic hơn.
Axit formic này sau đó sẽ được sử dụng để tạo ra nhiều ALF hơn, tiếp tục giảm tác động tổng thể và chi phí của chu trình nguyên liệu.
Evans cho biết: “Ngày nay có rất nhiều nghiên cứu đang được tiến hành về vấn đề phải làm gì với lượng CO2 thu được. “Có vẻ như cuối cùng chúng ta có thể sử dụng năng lượng mặt trời để tách hydro ra khỏi nước, sau đó kết hợp hydro đó với CO2 để tạo ra nhiều axit formic hơn. Kết hợp với ALF, đó là một giải pháp có ích cho hành tinh này.”
