Bẫy Carbon bằng Độ ẩm: Một bước đột phá giúp việc thu giữ CO2 rẻ hơn và sạch hơn
Bởi Đại học Northwestern
Các nhà khoa học đã phát triển một phương pháp thân thiện với môi trường, chi phí thấp để kéo carbon dioxide từ không khí bằng cách sử dụng độ ẩm và các vật liệu thông thường như than hoạt tính và nhôm oxit. (Ảnh SEM của than hoạt tính.) Tín dụng: Phòng thí nghiệm Dravid / Đại học Northwestern
Các nhà nghiên cứu đã tìm ra một phương pháp ít tốn kém hơn để thu giữ carbon dioxide từ không khí bằng cách sử dụng sự thay đổi độ ẩm và các vật liệu giá cả phải chăng hơn.
Hầu hết các phương pháp thu giữ không khí trực tiếp bằng độ ẩm đều dựa vào nhựa trao đổi ion kỹ thuật đắt tiền để thu giữ CO2.
Nghiên cứu mới cho thấy các vật liệu như nhôm oxit và than hoạt tính, rẻ hơn và có sẵn rộng rãi, cũng có thể thu giữ và giải phóng CO2 hiệu quả.
Những vật liệu thay thế này có thể giảm đáng kể cả chi phí và nhu cầu năng lượng để loại bỏ carbon.
Thu giữ carbon có thể mở rộng quy mô, chi phí thấp là điều cần thiết để giảm lượng khí thải toàn cầu, đặc biệt là trong các lĩnh vực khó khử cacbon.
Mở rộng tiềm năng thu giữ trực tiếp không khí
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Northwestern đã xác định một loạt các vật liệu giá rẻ, có sẵn rộng rãi có thể cải thiện đáng kể các công nghệ thu giữ carbon được thiết kế để loại bỏ CO2 trực tiếp khỏi không khí.
Trong một nghiên cứu được công bố hôm nay (ngày 3 tháng 4) trên tạp chí Khoa học & Công nghệ Môi trường, nhóm nghiên cứu đã nêu bật các vật liệu mới hỗ trợ một quy trình được gọi là "độ ẩm dao động" — một phương pháp thu giữ và giải phóng CO2 dựa trên những thay đổi về độ ẩm. Họ mô tả đây là "một trong những phương pháp tiếp cận triển vọng nhất để thu giữ CO2".
Tính cấp thiết của việc thu giữ carbon có thể mở rộng quy mô
Khi mức CO2 trong khí quyển tiếp tục tăng, bất chấp những nỗ lực toàn cầu nhằm giảm phát thải, việc tìm ra những cách hiệu quả để loại bỏ lượng carbon dư thừa khỏi không khí đang trở nên ngày càng cấp thiết. Các giải pháp này đặc biệt quan trọng đối với các lĩnh vực khó khử cacbon như hàng không và nông nghiệp, nơi khí thải lan rộng và khó thu giữ tại nguồn.
Công nghệ thu giữ không khí trực tiếp biến động độ ẩm (DAC), sử dụng những thay đổi về độ ẩm để thu giữ carbon, sẽ đóng vai trò trung tâm trong các chiến lược toàn cầu nhằm chống lại biến đổi khí hậu, nhưng khả năng mở rộng quy mô của công nghệ này bị hạn chế do trước đây người ta thường sử dụng vật liệu polyme kỹ thuật gọi là nhựa trao đổi ion. Nhóm nghiên cứu nhận thấy họ có thể giảm cả chi phí và mức sử dụng năng lượng bằng cách sử dụng các vật liệu bền vững, dồi dào và rẻ tiền — thường có nguồn gốc từ chất thải hữu cơ hoặc nguyên liệu đầu vào — để làm cho công nghệ DAC rẻ hơn và có khả năng mở rộng quy mô hơn.
Vật liệu được sử dụng để thử nghiệm công nghệ. Tín dụng: Phòng thí nghiệm Dravid / Đại học Northwestern
Vật liệu mới mang lại những lợi thế đáng ngạc nhiên
“Nghiên cứu giới thiệu và so sánh các vật liệu nano nền tảng mới để thu giữ carbon biến động độ ẩm, cụ thể là các vật liệu cacbon như than hoạt tính, than chì có cấu trúc nano, ống nano cacbon và than chì dạng vảy, cũng như các hạt nano oxit kim loại bao gồm oxit sắt, nhôm và mangan”, ứng viên Tiến sĩ khoa học và kỹ thuật vật liệu của Northwestern John Hegarty, đồng tác giả cho biết. “Lần đầu tiên, chúng tôi áp dụng một khuôn khổ thử nghiệm có cấu trúc để xác định tiềm năng đáng kể của các vật liệu khác nhau trong việc thu giữ CO2. Trong số các vật liệu này, nhôm oxit và than hoạt tính có động học nhanh nhất, trong khi sắt oxit và than chì có cấu trúc nano có thể thu giữ nhiều CO2 nhất”.
Bài báo chứng minh tầm quan trọng của kích thước lỗ rỗng của vật liệu (các túi không gian bên trong vật liệu xốp nơi carbon dioxide có thể ẩn náu) trong việc dự đoán khả năng thu giữ carbon của vật liệu đó. Các kỹ sư lập luận rằng loại nghiên cứu này sẽ hỗ trợ việc phát triển các nguyên tắc thiết kế để cải thiện hiệu suất bằng cách sửa đổi cấu trúc của vật liệu.
Làm cho việc thu giữ carbon dễ tiếp cận hơn
Các phương pháp truyền thống để thu giữ trực tiếp CO2 trong khí quyển đã không còn khả năng cạnh tranh trên nhiều thị trường do chi phí cao và tính phức tạp về mặt kỹ thuật. Các công nghệ DAC dễ tiếp cận hơn và chi phí thấp hơn có thể bù đắp lượng khí thải từ các ngành nông nghiệp, hàng không và sản xuất bê tông và thép vốn đang gặp khó khăn hoặc không thể khử cacbon chỉ bằng năng lượng tái tạo.
“Phương pháp dao động độ ẩm cho phép cô lập CO2 ở độ ẩm thấp và giải phóng ở độ ẩm cao, giúp giảm hoặc loại bỏ chi phí năng lượng liên quan đến việc làm nóng vật liệu hấp thụ để có thể tái sử dụng”, Benjamin Shindel, tiến sĩ tốt nghiệp Trường Kỹ thuật McCormick, cho biết. Theo Shindel và các tác giả khác của nghiên cứu, phương thức này hấp dẫn vì nó cho phép loại bỏ carbon từ hầu như mọi nơi và có thể tận dụng sự hiệp lực để kết nối với các hệ thống khác sẽ hoạt động theo mô hình sử dụng carbon.
Tận dụng thiên nhiên để thu giữ thông minh hơn
“Nếu bạn thiết kế hệ thống của mình một cách chính xác, bạn có thể dựa vào các gradient tự nhiên, ví dụ, thông qua chu kỳ ngày-đêm hoặc thông qua việc tận dụng hai thể tích không khí trong đó một thể tích ẩm và một thể tích đã khô ở những vùng địa lý mà điều đó có ý nghĩa”, Giáo sư kỹ thuật vật liệu Vinayak P. Dravid, người đứng đầu nghiên cứu cho biết.
Dravid là Giáo sư về Vật liệu Abraham Harris
Khoa học và Kỹ thuật tại McCormick và là giảng viên liên kết của Viện Paula M. Trienens về Phát triển bền vững và Năng lượng. Ông cũng là giám đốc sáng lập của Trung tâm Đặc tính Nguyên tử và Nano (NUANCE) của Đại học Northwestern cũng như Nguồn tài nguyên Thí nghiệm Công nghệ Nano Mềm và Lai (SHyNE), đồng thời là phó giám đốc các chương trình toàn cầu tại Viện Công nghệ Nano Quốc tế. Hegarty và Shindel cùng là tác giả đầu tiên, và nghiên cứu sinh Tiến sĩ Michael L. Barsoum của Cao đẳng Nghệ thuật và Khoa học Weinberg cùng cố vấn của ông, chủ tịch khoa hóa học Northwestern và Giáo sư Omar K. Farha, cũng là tác giả.
Phân tích lý do tại sao nó hiệu quả
Sau khi nhóm đánh giá lý do tại sao nhựa trao đổi ion lại có hiệu quả trong việc tạo điều kiện cho quá trình thu giữ — sự kết hợp giữa kích thước lỗ rỗng lý tưởng và sự hiện diện của các nhóm ion tích điện âm trên bề mặt của chúng mà carbon dioxide có thể bám vào — họ đã xác định được các nền tảng khác có nhiều hơn và có các đặc tính tương tự, tập trung vào các vật liệu không gây thêm áp lực cho môi trường.
Các tài liệu trước đây có xu hướng gói gọn cơ chế của toàn bộ hệ thống, khiến việc đánh giá tác động của từng thành phần riêng lẻ đối với hiệu suất trở nên khó khăn. Hegarty cho biết bằng cách xem xét một cách có hệ thống và cụ thể từng vật liệu, họ đã tìm thấy một phạm vi kích thước lỗ chân lông "vừa phải" (khoảng 50 đến 150 Angstrom) với khả năng xoay cao nhất, tìm ra mối tương quan giữa diện tích bên trong lỗ chân lông và khả năng mà vật liệu thể hiện.
Những vật liệu tiếp theo sẽ là gì
Nhóm nghiên cứu có kế hoạch tăng cường hiểu biết của họ về vòng đời của các vật liệu mới bao gồm cả tổng chi phí và mức sử dụng năng lượng của nền tảng, và hy vọng điều này sẽ truyền cảm hứng cho các nhà nghiên cứu khác suy nghĩ vượt ra ngoài khuôn khổ.
Shindel cho biết "Thu giữ carbon vẫn đang trong giai đoạn đầu của lĩnh vực này". "Công nghệ này sẽ chỉ trở nên rẻ hơn và hiệu quả hơn cho đến khi nó trở thành một phương pháp khả thi để đáp ứng các mục tiêu giảm phát thải trên toàn cầu. Chúng tôi muốn thấy những vật liệu này được thử nghiệm ở quy mô lớn trong các nghiên cứu thí điểm".
Tài liệu tham khảo: "Vật liệu nền tảng để thu giữ carbon dao động độ ẩm" ngày 3 tháng 4 năm 2025, Khoa học & Công nghệ Môi trường.
Bài báo được Bộ Năng lượng (DOE-BES DE-SC0022332) hỗ trợ, và mọi đặc tính và phép đo đều được hỗ trợ bởi nút mạng Trung Tây thuộc Cơ sở hạ tầng phối hợp công nghệ nano quốc gia của Quỹ khoa học quốc gia, được gọi là Tài nguyên SHyNE.
