Phương pháp đột phá về lọc carbon dioxide trong không khí

Quy trình lọc này có thể trở thành công cụ quan trọng trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu. Hệ thống mới của các nhà khoa học tại MIT có thể hoạt động đối với carbon dioxide ở hầu hết mọi nồng độ, thậm chí xuống tới khoảng 400 phần triệu như nồng độ hiện tại trong khí quyển.

Hầu hết các phương pháp loại bỏ carbon dioxide khỏi dòng khí đòi hỏi nồng độ cao hơn, chẳng hạn như những phương pháp được tìm thấy trong khí thải từ các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Một vài biến thể đã được phát triển có thể hoạt động với carbon dioxide nồng độ thấp trong không khí, nhưng phương pháp mới này ít tốn năng lượng và tiết kiệm hơn đáng kể, các nhà nghiên cứu cho biết.

Kỹ thuật này, dựa trên việc truyền không khí qua một chồng các tấm điện hóa tích điện, được mô tả trong một bài báo mới trên tạp chí Energy and Environmental Science bởi nhà nghiên cứu của MIT, Sahag Voskian.

Thiết bị này thực chất là một pin lớn, chuyên dụng hấp thụ carbon dioxide từ không khí (hoặc dòng khí khác) bằng các điện cực khi sạc, và sau đó giải phóng carbon dioxide khi pin xả. Khi hoạt động, thiết bị xen kẽ giữa sạc và xả, luồng khí thổi qua hệ thống trong chu kỳ sạc, và sau đó carbon dioxide tinh khiết, cô đặc được thổi ra trong quá trình xả.

Khi sạc pin, một phản ứng điện hóa diễn ra ở bề mặt của mỗi chồng điện cực - một chồng các tấm điện hóa tích điện. Chúng được phủ một hợp chất gọi là polyanthraquinone, kết hợp với các ống nano carbon. Các điện cực có ái lực tự nhiên với carbon dioxide và dễ dàng phản ứng với các phân tử của nó trong luồng khí, ngay carbon dioxide chỉ ở nồng độ rất thấp. Phản ứng ngược lại diễn ra khi pin được xả - trong thời gian đó, thiết bị có thể cung cấp một phần năng lượng cần thiết cho toàn bộ hệ thống lọc - và trong quá trình này sẽ đẩy ra một luồng carbon dioxide tinh khiết. Toàn bộ hệ thống hoạt động ở nhiệt độ phòng và áp suất không khí bình thường.

"Ưu điểm lớn nhất của công nghệ này so với hầu hết các công nghệ thu hồi hoặc hấp thụ carbon khác là bản chất nhị phân của ái lực hấp phụ với carbon dioxide", theo giải thích của Voskian. Nói cách khác, vật liệu điện cực, theo bản chất của nó, "có một ái lực cao hoặc không có ái lực gì", tùy thuộc vào trạng thái sạc pin của pin. Các phản ứng khác được sử dụng để thu giữ carbon đòi hỏi các bước xử lý hóa học trung gian hoặc đầu vào của năng lượng đáng kể như nhiệt hoặc chênh lệch áp suất.

"Mối quan hệ nhị phân này cho phép thu giữ carbon dioxide từ bất kỳ nồng độ nào, kể cả 400 phần triệu, và cho phép giải phóng nó vào bất kỳ dòng chất mang nào, bao gồm 100% CO2", theo Voskian. Bất kỳ khí nào chảy qua chồng các điện cực trong bước xả pin, carbon dioxide thu được sẽ được mang theo cùng với nó. Ví dụ, nếu sản phẩm cuối cùng mong muốn là carbon dioxide tinh khiết được sử dụng trong quá trình cacbon hóa đồ uống, thì một luồng carbon dioxide tinh khiết có thể được thổi qua các tấm điện cực. Carbon dioxide sẽ được giải phóng khỏi các tấm điện cực và hòa vào luồng khí thổi qua.

Trong một số nhà máy đóng chai nước giải khát, nhiên liệu hóa thạch được đốt cháy để tạo ra carbon dioxide cần thiết để cung cấp cho thức uống của họ. Tương tự, một số nông dân đốt khí đốt tự nhiên để sản xuất carbon dioxide để nuôi cây trong nhà kính. Hệ thống mới có thể loại bỏ nhu cầu nhiên liệu hóa thạch trong các ứng dụng này và đồng thời lọc khí nhà kính ra khỏi không khí, Voskian nói. Ngoài ra, dòng carbon dioxide tinh khiết có thể được nén và bơm dưới lòng đất để xử lý lâu dài, hoặc thậm chí được chế tạo thành nhiên liệu thông qua một loạt các quá trình hóa học và điện hóa.

Quá trình mà hệ thống này sử dụng để thu giữ và giải phóng carbon dioxide "là một cuộc cách mạng", ông nói. "Tất cả quá trình này diễn ra ở điều kiện thường - không cần đầu vào nhiệt, áp suất hoặc hóa chất. Chỉ có những tấm rất mỏng xếp chồng lên nhau trong một hộp và kết nối với nguồn điện".

"Trong các phòng thí nghiệm của tôi, chúng tôi đã cố gắng phát triển các công nghệ mới để giải quyết một loạt các vấn đề môi trường nhằm tránh sử dụng các nguồn năng lượng nhiệt, thay đổi áp suất hệ thống hoặc thêm hóa chất để hoàn thành chu trình tách và giải phóng", Alan Hatton, kỹ sư hóa học đồng tác giả nghiên cứu, nói. "Công nghệ thu khí carbon dioxide này là một minh chứng rõ ràng cho sức mạnh của các phương pháp điện hóa chỉ cần dao động nhỏ trong điện áp để dẫn đến sự phân tách".

Trong một nhà máy đang hoạt động - ví dụ, trong một nhà máy điện, nơi khí thải được sản xuất liên tục - hai bộ pin điện hóa như vậy có thể được đặt cạnh nhau để hoạt động song song, với khí thải được dẫn đầu tiên trong một bộ để thu giữ carbon, sau đó chuyển hướng sang bộ thứ hai trong khi bộ thứ nhất đi vào chu kỳ xả của nó. Bằng cách luân phiên qua lại, hệ thống luôn có thể vừa bắt và xả khí. Trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã chứng minh hệ thống có thể chịu được ít nhất 7.000 chu kỳ xả sạc, với hiệu quả giảm 30% trong thời gian đó. Các nhà nghiên cứu ước tính rằng họ có thể dễ dàng cải thiện hệ thống lên đến 20.000 - 50.000 chu kỳ.

Các điện cực có thể được sản xuất bằng phương pháp xử lý hóa học tiêu chuẩn. Mặc dù ngày nay điều này được thực hiện trong môi trường phòng thí nghiệm, nhưng nó có thể được điều chỉnh sao cho cuối cùng các tấm điện cực có thể được sản xuất với số lượng lớn thông qua quy trình sản xuất cuộn tương tự như báo in, Voskian nói. "Chúng tôi đã phát triển các kỹ thuật rất hiệu quả về chi phí", ông nói, ước tính rằng chi phí sẽ là 10 USD cho mỗi mét vuông điện cực.

So với các công nghệ thu hồi carbon hiện có khác, hệ thống này khá tiết kiệm năng lượng, sử dụng đều đặn khoảng một gigajoule năng lượng cho mỗi tấn carbon dioxide thu được. Các phương pháp hiện có khác có mức tiêu thụ năng lượng thay đổi từ 1 đến 10 gigajoules mỗi tấn, tùy thuộc vào nồng độ carbon dioxide đầu vào, Voskian nói.

Các nhà nghiên cứu đã thành lập một công ty có tên Verdox để thương mại hóa quy trình này và hy vọng sẽ phát triển một nhà máy quy mô thí điểm trong vòng vài năm tới, ông nói. Và hệ thống này rất dễ dàng để mở rộng quy mô, ông nói: "Nếu bạn muốn có nhiều công suất hơn, bạn chỉ cần tạo ra nhiều điện cực hơn".

Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Sáng kiến năng lượng MIT và Eni S.p.A - một công ty dầu khí đa quốc gia của Ý có trụ sở tại Rome. Eni và MIT đã hợp tác từ năm 2008 để phát triển các công nghệ trong lĩnh vực tái tạo, bảo vệ môi trường và giảm thiểu carbon, v.v...

http://news.mit.edu/2019/mit-engineers-develop-new-way-remove-carbon-dioxide-air-1025

https://www.eni.com/en_IT/home.page

https://www.usatoday.com/story/news/nation/2019/02/21/global-warming-earth-could-see-carbon-dioxide-levels-not-seen-56-m-years/2930902002/