Dùng chất thải công nghiệp "hóa đá" khí nhà kính CO2 (Phần 1)

Tháng 7/2019, Gregory Dipple, nhà địa chất học tại Đại học British Columbia, Vancouver, bay đến mỏ kim cương Gahcho Kué, ngay phía nam của Vòng Bắc Cực. Tại đó, công ty De Beers khai thác khoảng 4 triệu carat kim cương hằng năm. Nhưng Dipple và nhóm của ông đến đây không phải để mua đá quý. Họ đang tìm cách sử dụng chất thải đá nghiền từ mỏ này để thu giữ cacbon dioxide (CO2) vĩnh viễn.

Tại Gahcho Kué, nhóm của Dipple đã thổi hỗn hợp CO2 và khí nitơ (mô phỏng khí thải từ dầu diesel) đi qua một dạng bùn màu xanh xám làm từ chất thải khai mỏ trộn với nước. Trong 2 ngày, bùn biến thành màu nâu gỉ - đây là bằng chứng cho thấy sắt trong bùn bị oxy hóa vì magiê và canxi trong bùn hút CO2, và biến CO2 thành các khoáng chất gốc cacbon.

Những không chỉ chất thải từ mỏ kim cương mới "đói CO2". Một loạt các chất thải dạng bùn và đá từ khai thác mỏ, sản xuất xi măng và nhôm, đốt than và các quy trình công nghiệp quy mô lớn khác đều có tính "đói CO2" như vậy. Được gọi là chất thải rắn có tính kiềm, những vật liệu này có độ pH cao, khiến chúng phản ứng với CO2 - một loại axit nhẹ. Khác với các phương pháp khác để hút CO2 dư thừa khỏi khí quyển, những loại chất thải rắn này vừa có thể thu và lưu trữ CO2.

"Phương pháp này thực sự tiềm năng," Deeple nói. "Nó sẽ góp phần quan trọng vào việc giảm CO2".

Nếu có thể ứng dụng phương pháp này vào thực tế, nó sẽ giải quyết hai vấn đề môi trường cùng một lúc. Ngày nay, các mỏ và ngành công nghiệp tạo ra khoảng 2 tỷ tấn chất thải thể rắn hoặc sệt có tính kiềm mỗi năm, và hơn 90 tỷ tấn đang chất đống đằng sau những bức tường mỏng manh, một mối đe dọa đối với con người và hệ sinh thái.

Phản ứng với CO2 từ không khí làm cho các chất thải này trở nên an toàn hơn do chúng rắn lại, đồng thời giúp thế giới ngăn chặn thảm họa nóng lên toàn cầu. Trong thỏa thuận khí hậu Paris năm 2015, hầu hết các quốc gia trên thế giới đã quyết định hạn chế sự nóng lên của khí hậu trong phạm vi 2°C. Để điều đó xảy ra, cắt giảm khí thải nhà kính là chưa đủ. Các quốc gia sẽ cần sử dụng “công nghệ phát thải âm” (NET) để hút khoảng 10 tỷ tấn (gigatons) CO2 ra khỏi bầu khí quyển mỗi năm. NET có thể có bao gồm trồng rừng hoặc dùng phương pháp hóa học để hấp thụ CO2 từ không khí hoặc khí thải của các nhà máy và bơm xuống lòng đất.

Nhưng các khoang chứa CO2 dưới lòng đất có thể bị rò rỉ, và rừng có thể bị cháy. Khoáng hóa là phương pháp bền vững hơn, theo Siobhan Wilson, nhà hóa sinh học tại Đại học Alberta, Edmonton. CO2 bị khoáng hóa sẽ trở thành các khoáng chất gốc cacbon - một trong những chất ổn định nhất trên Trái đất.

Và nguồn nguyên liệu chất thải rắn thích hợp cho phản ứng hút CO2 cũng rất dồi dào. Đầu tiên là chất thải từ mỏ đá siêu mafic - loại đá giàu canxi và magiê. Kim cương cùng với các kim loại như niken, bạch kim và palladium thường được khai thác từ trong loại đá này.

Một báo cáo năm 2019 về công nghệ phát thải âm của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ (NAS) đã mô tả việc lưu trữ CO2 trong chất thải từ mỏ đá siêu mafic là “quả dễ hái”. Ngày nay, mỗi năm có khoảng 419 triệu tấn chất thải này cùng với chất thải từ mỏ đá mafic (ít kiềm hơn so với chất thải từ mỏ đá siêu mafic) được tạo ra. Nếu dùng toàn bộ lượng chất thải đó để khoáng hóa CO2, chúng có thể chứa 175 triệu tấn CO2 trong khí quyển. Tiếp theo đó là các chất thải kiềm từ sản xuất nhôm, sắt, thép và xi măng, có thể chứa tổng cộng ít nhất 310 triệu tấn - còn theo một số ước tính khác là hơn 4 gigatons (GT) - CO2 mỗi năm.

Phil Renforth thuộc Đại học Heriot-Watt và các đồng nghiệp đã tính toán rằng bột đá bazan ít kiềm hơn được tạo ra từ quá trình sản xuất than cũng có thể cô lập thêm 2 GT CO2 mỗi năm.

Nhưng có những trở ngại lớn.

Phương pháp lưu trữ CO2 trong khoáng chất không phải là mới. Các kế hoạch thu hồi CO2 từ không khí hoặc khí thải của nhà máy điện thường kêu gọi bơm khí này vào đá ngầm, giống như chất thải của mỏ, phản ứng tạo thành khoáng chất gốc cacbon. Một số loại đá khác cũng thu giữ CO2 một cách tự nhiên trong quá trình phong hóa. Ở Oman, những rặng núi peridotit khổng lồ khoáng hóa CO2 từ không khí, tạo thành những đường vân trắng giống như vân mỡ trong miếng bít tết.

Chất thải khai mỏ cũng có khả năng đó. Vào năm 2014, Siobhan Wilson, nhà hóa sinh học tại Đại học Alberta, và các đồng nghiệp đã phân tích chất thải từ mỏ niken Mount Keith ở Tây Úc và phát hiện ra rằng 11 triệu tấn chất thải của mỏ được tạo ra mỗi năm phản ứng tự phát với CO2, giữ lại khoảng 40.000 tấn CO2 - tương đương khoảng 11% sản lượng CO2 từ các hoạt động của mỏ.

Tuy nhiên, quá trình phong hóa diễn ra chậm và hầu hết các chất thải có tính kiềm đều được chôn lấp và do đó không tiếp xúc với không khí. Alison Shaw, nhà địa hóa của Lorax Environmental Services, người đứng đầu nghiên cứu của De Beers về khoáng hóa CO2, cho biết. “Vấn đề là làm cho những phản ứng đó xảy ra với tốc độ nhanh hơn."

Tại Gahcho Kué, Dipple và các sinh viên của ông đã thử nghiệm một cách để tăng tốc quá trình. Các chất thải của mỏ bao gồm một dạng bùn ướt và các hạt khô như cát. Dipple và các sinh viên đã đóng một chiếc cột cao 6 mét bằng bùn màu xanh lục và phun nước lên 1 m³ cát. Với cả chất thải bùn và cát khô, họ thổi hỗn hợp khí 10% CO2 và 90% nitơ vào.

Theo họ, chất thải đã hấp thụ CO2 trong 44 giờ và chuyển hóa thành khoáng chất. Các khoáng chất magiê cacbonat mới được tạo ra có tác dụng như keo, làm đông đặc các chất thải ban đầu, giống như cát chuyển thành sa thạch. Quan trọng nhất, chất thải hấp thụ CO2 nhanh hơn 200 lần so với quá trình tự nhiên, Dipple nói.

Dipple dự định trở lại Gahcho Kué hè năm nay để mở rộng quy mô thử nghiệm và sử dụng khí thải diesel thật. Nhưng những cuộc thử nghiệm đó đang bị tạm dừng vì đại dịch Covid.

Alison Shaw nói, De Beers cũng đang tài trợ cho các dự án tương tự khác trên khắp thế giới. Ví dụ: nhóm của Wilson đang tìm hiểu xem liệu axit loãng có làm tăng tốc quá trình khoáng hóa hay không. Một dự án khác, do Gordon Southam thuộc Đại học Queensland, St. Lucia, đang bổ sung vi khuẩn lam vào hỗn hợp. Các vi khuẩn quang hợp này thu nhận CO2 từ khí quyển, và các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho thấy chúng tăng tốc độ khoáng hóa cacbon. Shaw cho rằng, nếu những nỗ lực này có hiệu quả, khai thác mỏ sẽ không còn bị coi như thảm họa môi trường, thậm chí trở thành một phần của giải pháp chống biến đổi khí hậu. Anglo American, công ty mẹ của De Beers, đã tuyên bố họ muốn khai thác chất thải kiềm để tạo ra mỏ trung tính cacbon đầu tiên vào năm 2040.