Vật liệu mới tách CO2 khỏi khí thải công nghiệp, khí thiên nhiên hoặc khí sinh học

Các nhà hóa học tại Đại học Bayreuth đã phát triển một loại vật liệu có thể đóng góp quan trọng vào việc bảo vệ khí hậu và sản xuất công nghiệp bền vững. Với vật liệu này, khí nhà kính carbon dioxide (CO₂) có thể được tách khỏi khí thải công nghiệp, khí tự nhiên hoặc khí sinh học, và do đó có sẵn để tái chế. Quá trình phân tách vừa tiết kiệm năng lượng vừa tiết kiệm chi phí.

"Thỏa thuận Xanh" do Ủy ban Châu Âu trình bày vào năm 2019, kêu gọi giảm phát thải khí nhà kính trong EU xuống 0 vào năm 2050. Điều này đòi hỏi các quy trình phải sáng tạo để có thể tách và giữ lại CO₂ khỏi khí thải và khí hỗn hợp khác để nó không bị phát tán vào khí quyển. Vật liệu được phát triển ở Bayreuth có một ưu điểm cơ bản so với các quá trình tách trước đây: Nó có khả năng loại bỏ hoàn toàn CO₂ khỏi hỗn hợp khí mà không cần CO₂ liên kết hóa học. Các hỗn hợp khí này có thể là khí thải từ các nhà máy công nghiệp, nhưng cũng có thể là khí tự nhiên hoặc khí sinh học. Trong tất cả các trường hợp này, CO₂ tích tụ trong các khoang của vật liệu chỉ do tương tác vật lý. Từ đó, nó có thể được giải phóng mà không cần tiêu tốn nhiều năng lượng, và có sẵn như một nguồn tài nguyên cho sản xuất công nghiệp. Do đó, về mặt hóa học, quá trình tách hoạt động theo nguyên tắc hấp phụ vật lý. Giống như một bể chứa rộng, vật liệu mới có thể chứa đầy và thải khí carbon dioxide theo cách tiết kiệm năng lượng. Trong các phòng thí nghiệm của Bayreuth, nó được thiết kế theo cách chỉ tách CO₂ và không tách khí khác ra khỏi các hỗn hợp khí đa dạng nhất.

"Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã thành công trong việc thiết kế một loại vật liệu hoàn thành hai nhiệm vụ cùng một lúc. Một mặt, các tương tác vật lý với CO₂ đủ mạnh để giải phóng và giữ lại khí nhà kính này khỏi hỗn hợp khí. Mặt khác, chúng đủ yếu để cho phép giải phóng CO₂ từ vật liệu chỉ với một lượng năng lượng nhỏ", Martin Riess M.Sc., nhà nghiên cứu tại nhóm nghiên cứu Hóa học vô cơ I tại Đại học Bayreuth.

Vật liệu mới là một dạng lai vô cơ – hữu cơ. Cơ sở hóa học là các khoáng chất đất sét bao gồm hàng trăm tiểu cầu thủy tinh riêng lẻ. Chúng chỉ dày một nanomet, và được sắp xếp chính xác bên cạnh nhau. Giữa các tấm thủy tinh riêng lẻ có các phân tử hữu cơ hoạt động như chất đệm. Hình dạng và đặc tính hóa học của chúng đã được lựa chọn để các khoảng trống được tạo ra được điều chỉnh tối ưu để tích tụ CO₂. Chỉ các phân tử carbon dioxide mới có thể thâm nhập vào hệ thống lỗ xốp của vật liệu và được giữ lại ở đó. Ngược lại, mêtan, nitơ và các thành phần khí thải khác phải ở bên ngoài do kích thước của các phân tử của chúng. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng cái gọi là hiệu ứng rây phân tử để tăng tính chọn lọc của vật liệu đối với CO₂. Họ hiện đang nghiên cứu phát triển một hệ thống màng dựa trên khoáng sét, được thiết kế để cho phép tách CO₂ liên tục, có chọn lọc và tiết kiệm năng lượng khỏi các hỗn hợp khí.

Sự phát triển của vật liệu lai được thiết kế riêng để tách và cung cấp CO₂ đã được thực hiện nhờ vào một hệ thống đo đặc biệt được thiết lập trong các phòng thí nghiệm Bayreuth, cho phép xác định chính xác lượng khí bị hấp phụ và độ chọn lọc của vật liệu hấp phụ. Điều này đã cho phép các quy trình công nghiệp được tái tạo một cách thực tế. "Tất cả các tiêu chí liên quan đến việc đánh giá các quy trình tách CO₂ trong công nghiệp đã được vật liệu hybrid của chúng tôi đáp ứng hoàn toàn. Nó có thể được sản xuất với chi phí hiệu quả và góp phần quan trọng không chỉ vào việc giảm lượng khí thải carbon dioxide công nghiệp mà còn cho quá trình xử lý khí sinh học và khí tự nhiên có tính axit”, Martin Riess cho biết.

Hoàng Nam dịch

Theo Science Daily