Trong một góc phòng thí nghiệm của Kelsey Hatzell có một chiếc bình nhỏ chứa đầy một loại vật liệu có khả năng vượt xa những gì vẻ ngoài khó nhận biết của nó gợi ý: một cách thu giữ và giải phóng carbon dioxide khỏi khí quyển chỉ bằng cách thay đổi độ ẩm xung quanh.
Trừu tượng đồ họa. Nguồn: Thư Khoa học & Công nghệ Môi trường (2024). DOI: 10.1021/acs.estlett.3c00712
Vật liệu này có thể cắt giảm chi phí năng lượng liên quan đến cái gọi là hệ thống thu khí trực tiếp, vốn thường dựa vào sự thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất tiêu tốn nhiều năng lượng để chuyển đổi giữa thu và giải phóng carbon. Thay vào đó, bằng cách dựa vào độ ẩm, vật liệu này có thể mang lại những cải tiến về hiệu suất năng lượng gấp 5 lần so với các công nghệ hiện tại. Các nhà nghiên cứu báo cáo phát hiện của họ trong Thư Khoa học & Công nghệ Môi trường.
Các hệ thống thu giữ không khí trực tiếp đã được báo trước như một cách chống lại biến đổi khí hậu bằng cách kéo carbon dioxide ra khỏi không khí để lưu trữ vĩnh viễn dưới lòng đất hoặc chuyển đổi thành một sản phẩm hữu ích.
Hatzell, trợ lý giáo sư về kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ, cho biết: “Đã có sự bùng nổ quan tâm đến các hệ thống thu giữ không khí trực tiếp, bởi vì chúng không chỉ là cách để giảm lượng khí thải carbon mà còn thực sự loại bỏ chúng khỏi khí quyển”. Trung tâm Năng lượng và Môi trường Andlinger, chỉ ra nỗ lực trị giá 3,5 tỷ USD gần đây của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ để phát triển bốn trung tâm thu gom không khí trực tiếp trong khu vực trên khắp đất nước.
Bất chấp những hứa hẹn của nó, việc thu giữ carbon trực tiếp từ không khí vẫn đang được xem xét kỹ lưỡng vì nó đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để hoạt động so với hầu hết các ứng dụng thu giữ carbon khác. Đó là do nồng độ carbon dioxide trong không khí xung quanh cực kỳ loãng, đặc biệt khi so sánh với khí thải từ nguồn phát điểm như nhà máy điện đốt than.
Một trong những bước tiêu tốn nhiều năng lượng nhất của quy trình là tái sinh. Sau khi thu giữ carbon dioxide từ không khí xung quanh, các hệ thống thông thường yêu cầu thay đổi nhiệt và/hoặc áp suất để giải phóng khí vào nơi lưu trữ để hệ thống có thể sẵn sàng thu giữ nhiều carbon hơn. Trong một phương pháp sử dụng dung môi lỏng, bước tái sinh đòi hỏi phải làm nóng vật liệu thu hồi cacbon đến nhiệt độ từ 300° đến 900°C.
Ngược lại, nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc tái tạo vật liệu thu hồi carbon bằng độ ẩm chỉ cần thêm hoặc loại bỏ hơi nước. Cách tiếp cận như vậy cắt giảm đáng kể năng lượng cần thiết để loại bỏ một tấn carbon dioxide, từ tối đa 4,1 gigajoule khi sử dụng các kỹ thuật thông thường xuống chỉ còn 0,7 gigajoules - mức tiết kiệm năng lượng trên mỗi tấn lớn hơn năng lượng mà một hộ gia đình trung bình ở Hoa Kỳ sử dụng trong một tháng.
Để đạt được phương pháp tiếp cận dựa trên độ ẩm, nhóm Princeton đã sửa đổi một loại nhựa trao đổi ion hiện có, một loại vật liệu có thể trao đổi các hạt tích điện với môi trường xung quanh. Những loại nhựa này đã được sử dụng cho nhiều mục đích thương mại, khiến chúng được bán rộng rãi và không tốn kém.
Hơn nữa, bề mặt của những loại nhựa này rải rác vô số lỗ chân lông siêu nhỏ, đường kính chỉ 6 nanomet. Quá trình thu hồi carbon diễn ra bên trong các khoang này. Ở độ ẩm thấp, một loạt phản ứng hóa học xảy ra trong các lỗ chân lông cho phép chúng thu giữ carbon dioxide từ luồng không khí đi vào. Ở độ ẩm cao, điều ngược lại xảy ra: vật liệu giải phóng carbon liên kết của nó và chuẩn bị cho một đợt thu giữ khác.
Yaguang Zhu, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Trung tâm Năng lượng và Môi trường Andlinger, cho biết: “Chúng tôi có thể chỉ cần thay đổi lượng hơi nước trong hệ thống để tái tạo toàn bộ vật liệu”. "Bằng cách này, chúng tôi có thể giảm thiểu năng lượng đưa vào quy trình."
Các nhà nghiên cứu đã kiểm tra các cách để kiểm soát và sửa đổi vật liệu ở quy mô nano để cho phép thu giữ carbon do độ ẩm hiệu quả hơn. Họ phát hiện ra rằng việc nạp vào các lỗ chân lông các ion mang điện tích âm, có tính bazơ cao như phốt phát và cacbonat mang lại khả năng thu giữ cacbon cao nhất.
Nhóm nghiên cứu cũng khám phá cấu trúc vật lý của nhựa trao đổi ion để đưa ra các chiến lược thiết kế trong tương lai nhằm thu giữ carbon dựa trên độ ẩm. Ví dụ, họ phát hiện ra rằng mặc dù các lỗ nhỏ có vai trò quan trọng trong việc xác định tổng lượng carbon dioxide có thể thu giữ nhưng chúng ít ảnh hưởng đến tốc độ thu giữ thực tế. Cả công suất và tốc độ thu giữ đều là những cân nhắc quan trọng khi thiết kế và mở rộng quy mô nhà máy nhằm đáp ứng nhu cầu giảm phát thải trong tương lai.
Thay vào đó, các vật liệu có lỗ chân lông lớn hơn ngoài những lỗ nhỏ có thể thu giữ và giải phóng carbon với tốc độ cao hơn nhiều vì các lỗ chân lông lớn hơn hoạt động để nhanh chóng vận chuyển nước vào và ra khỏi vật liệu.
Zhu cho biết: “Các vi lỗ nhỏ – chỉ rộng vài nanomet – rất quan trọng đối với phản ứng thu hồi carbon có thể đảo ngược”. “Nhưng chúng tôi nhận thấy rằng các lỗ rỗng lớn hơn quan trọng hơn cho việc vận chuyển nước và do đó có ảnh hưởng mạnh mẽ đến tốc độ thu giữ carbon.”
Các nhà nghiên cứu đang tiếp tục nghiên cứu khoa học cơ bản đằng sau khả năng thu giữ và giải phóng của vật liệu trước sự thay đổi độ ẩm, nhưng họ lưu ý rằng chi phí năng lượng thấp của công nghệ kết hợp với vật liệu rẻ tiền khiến nó trở thành ứng cử viên đầy triển vọng cho việc mở rộng quy mô trong tương lai.
Nếu được mở rộng quy mô, phương pháp tái tạo dựa trên độ ẩm cũng có thể mang đến những cơ hội thú vị để tận dụng sự biến động độ ẩm xảy ra tự nhiên trong môi trường nhằm cắt giảm hơn nữa chi phí năng lượng. Đồng tác giả Austin Booth, một sinh viên tốt nghiệp ngành kỹ thuật hóa học và sinh học, cho biết những vị trí thường xuyên dao động giữa điều kiện khô và ẩm ướt có thể là lý tưởng cho loại công nghệ này.
Booth cho biết: “Bạn có thể tưởng tượng rằng ở một nơi có chu kỳ độ ẩm hàng ngày, về mặt lý thuyết, bạn có thể vận hành quá trình này mà không cần hoặc rất ít năng lượng đầu vào từ bên ngoài”.
Và mặc dù khả năng thu giữ carbon của công nghệ tự nhiên giúp nó có lợi cho các ứng dụng thu giữ không khí trực tiếp, Hatzell nói rằng khoa học cơ bản có thể có tác động đến một loạt ứng dụng, bao gồm cả ứng dụng lưu trữ năng lượng - một trong những lĩnh vực nghiên cứu chính của nhóm cô.
Hatzell cho biết: “Khoa học cơ bản có thể áp dụng cho một số vấn đề phân tách khác nhau trong ngành hóa chất”. "Công việc cuối cùng là điều chỉnh tính chất hóa học của vật liệu để giảm năng lượng bạn cần cho một quy trình nhất định và loại thông tin đó có sức hấp dẫn rất rộng rãi."
Mời đối tác xem hoạt động của Pacific co.ltd:
Fanpage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLtd
