Phương pháp mới thu giữ và tái chế carbon dioxide từ khí thải công nghiệp giúp làm chậm quá trình biến đổi khí hậu

Giảm thiểu tác động tiêu cực của CO₂ đối với môi trường và sức khỏe con người bằng phương pháp thu giữ, tái chế hiệu quả

Carbon dioxide (CO₂) là một trong những khí nhà kính giữ nhiệt gây ra hiệu ứng nóng lên toàn cầu. Hiệu ứng nhà kính đã gây ra những hậu quả biến đổi khí hậu nghiêm trọng, bao gồm sự gia tăng cả về cường độ và tần suất xuất hiện của các đợt nắng nóng, hạn hán, hỏa hoạn và lũ lụt.

Theo Báo cáo Thường niên về Khí hậu của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) năm 2020, nồng độ CO₂ trong không khí đã đạt mức cao kỷ lục, vượt quá 410 ppm (phần triệu). Trong khi đó, Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia Mỹ (NOAA) cho biết, nồng độ CO₂ trong khí quyển vào tháng 5/2022 đã đạt ngưỡng 420 ppm, cao hơn 50% so với thời kỳ tiền công nghiệp. NOAA cho biết đây là nồng độ cao chưa từng thấy trong khoảng 4 triệu năm qua. Các phép đo được thực hiện tại Đài quan sát Mauna Loa ở Hawaii, nơi lý tưởng nhất nằm trên một ngọn núi lửa, cho phép nó thoát khỏi ảnh hưởng có thể có của ô nhiễm cục bộ.

Để giảm thiểu tác động tiêu cực của CO₂ đối với môi trường và sức khỏe con người, các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển nhiều giải pháp thu giữ CO₂, tức là thu hồi và chuyển hóa CO₂ thành các sản phẩm có ích hoặc bảo quản CO₂ dưới dạng rắn hoặc lỏng ở các khoảng không gian an toàn. Tuy nhiên, các phương pháp thu giữ carbon dioxide (CO₂) trước khi nó thải vào khí quyển hiện nay lại cần nhiều năng lượng và thiết bị. 

Trong một nghiên cứu mới được tài trợ bởi Hội đồng hỗ trợ nghiên cứu công nghệ của Viện Massachusetts, đăng trên tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một hệ thống thu giữ sử dụng pin điện hóa để dễ dàng thu và giải phóng CO₂. Thiết bị này hoạt động ở nhiệt độ phòng và cần ít năng lượng hơn so với các hệ thống thông dụng thu giữ carbon dựa vào các amine.

Nhiều ngành công nghiệp đang chuyển sang điện khí hóa để hạn chế lượng khí thải carbon, nhưng kỹ thuật này không khả thi trong tất cả các lĩnh vực. Ví dụ, CO₂ là sản phẩm phụ tự nhiên của quá trình sản xuất xi măng và do đó, nó là tác nhân chính sinh ra khí thải.

Khí thải dư thừa có thể được giữ lại bằng các công nghệ thu giữ carbon, thường dựa vào các amine để giúp "làm sạch" chất ô nhiễm bằng cách liên kết hóa học với nó. Tuy nhiên, các công nghệ này cũng cần nhiều năng lượng, nhiệt và thiết bị công nghiệp nên có thể đốt cháy nhiều nhiên liệu hóa thạch hơn trong quá trình này.

Bản thân việc thu giữ carbon dioxide được điện khí hóa bằng cách sử dụng pin điện hóa và các thiết bị này có thể được cung cấp năng lượng từ các nguồn tái tạo. Vì vậy, nhóm nghiên cứu mong muốn chế tạo loại pin điện hóa có thể bẫy CO₂ một cách dễ dàng và thuận nghịch mà chỉ tiêu thụ đầu vào năng lượng tối thiểu.

Nhóm nghiên cứu lần đầu tiên phát triển được pin điện hóa vừa thu giữ lại vừa giải phóng carbon bằng cách đưa các cation tích điện dương qua một amine lỏng hòa tan trong dimethyl sulfoxide. Khi pin xả điện, cation Lewis mạnh tương tác với carbamic acid, giải phóng CO₂ và tạo thành carbamate amine. Khi quá trình này được đảo ngược và pin được tích điện, cation bị loại bỏ và pin có thể thu giữ CO₂ và cải tạo cacbamic acid trong quá trình này.

Các nhà nghiên cứu đã tối ưu hóa quá trình chuyển động ion bằng sự kết hợp giữa ion kali và kẽm. Trong mẫu pin, các nhà khoa học sử dụng 2 ion này làm nền tảng cho cực âm và cực dương của pin. Pin này cần ít năng lượng hơn các loại pin khác dựa vào nhiệt và có khả năng cạnh tranh với các pin điện hóa khác trong các thí nghiệm ban đầu. Ngoài ra, họ đã kiểm tra độ ổn định lâu dài của pin và nhận thấy gần 95% công suất ban đầu của pin vẫn được duy trì sau vài chu kỳ sạc và xả, chứng tỏ hệ thống này khả thi.

Kết quả nghiên cứu cung cấp một giải pháp thay thế điện hóa khả thi và có thể làm cho các công nghệ thu giữ CO₂ liên tục trở nên thiết thực hơn cho các ứng dụng công nghiệp.