Các nhà khoa học công bố phương pháp thu giữ carbon dioxide rẻ hơn, thông minh hơn
Theo Viện Công nghệ Georgia
Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp thu giữ trực tiếp không khí với năng lượng lạnh được giải phóng trong quá trình tái khí hóa LNG tạo ra một môi trường gần như đông lạnh, trong đó các vật liệu "hấp thụ vật lý" xốp có thể bẫy CO₂ hiệu quả hơn nhiều so với các hệ thống thông thường. Nguồn: Shutterstock
Bằng cách tái sử dụng năng lượng lạnh từ quá trình xử lý LNG, các nhà khoa học đã phát triển một kỹ thuật mới, tiết kiệm chi phí để bẫy carbon dioxide từ không khí bằng cách sử dụng các vật liệu hấp thụ tiên tiến.
Các nhà khoa học tại Trường Kỹ thuật Hóa học và Sinh học Phân tử (ChBE) thuộc Viện Công nghệ Georgia đã giới thiệu một phương pháp mới nhằm giảm nồng độ carbon dioxide (CO₂) trong khí quyển, một chiến lược quan trọng để giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu.
Mặc dù nhiều công nghệ thu giữ trực tiếp không khí (DAC) đã xuất hiện trong những năm gần đây, nhưng việc sử dụng rộng rãi chúng vẫn còn hạn chế do chi phí cao và nhu cầu năng lượng lớn.
Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Khoa học Năng lượng & Môi trường, nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Georgia đã tiết lộ một phương pháp thu giữ CO₂ hiệu quả hơn về mặt chi phí và năng lượng bằng cách sử dụng không khí cực lạnh và các vật liệu hấp thụ xốp thông dụng, mở ra triển vọng ứng dụng DAC rộng rãi hơn trong tương lai.
Khai thác Năng lượng Sẵn có
Phương pháp này, được phát triển với sự hợp tác của các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge ở Tennessee, Đại học Quốc gia Jeonbuk và Đại học Quốc gia Chonnam ở Hàn Quốc, bao gồm việc tích hợp DAC với quy trình tái khí hóa khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG). Bước công nghiệp này, biến LNG trở lại thành khí để sử dụng, tạo ra nhiệt độ cực thấp có thể được tái sử dụng để thu giữ CO₂ hiệu quả.
LNG, là khí thiên nhiên được làm lạnh thành chất lỏng để vận chuyển, phải được làm nóng trở lại thành khí trước khi sử dụng. Quá trình làm nóng này thường sử dụng nước biển làm nguồn nhiệt và về cơ bản lãng phí năng lượng nhiệt độ thấp có trong khí thiên nhiên hóa lỏng.
Thay vào đó, bằng cách sử dụng năng lượng lạnh từ LNG để làm mát không khí, các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Georgia đã tạo ra một môi trường ưu việt để thu giữ CO₂ bằng vật liệu được gọi là "chất hấp phụ vật lý", là các chất rắn xốp có khả năng hấp thụ khí.
Nghiên cứu viên sau tiến sĩ Seo-Yul Kim và Giáo sư Ryan Lively. Nguồn: Viện Công nghệ Georgia
Hầu hết các hệ thống DAC đang được sử dụng hiện nay đều sử dụng vật liệu gốc amin có khả năng liên kết hóa học CO₂ từ không khí, nhưng chúng có không gian lỗ rỗng tương đối hạn chế để thu giữ, bị phân hủy theo thời gian và cần nhiều năng lượng để hoạt động hiệu quả. Tuy nhiên, chất hấp phụ vật lý có tuổi thọ cao hơn và khả năng hấp thụ CO₂ nhanh hơn nhưng thường gặp khó khăn trong điều kiện ấm áp, ẩm ướt.
Nghiên cứu cho thấy khi không khí được làm lạnh đến nhiệt độ gần nhiệt độ đông lạnh để thu giữ DAC, hầu như toàn bộ hơi nước sẽ ngưng tụ ra khỏi không khí. Điều này cho phép chất hấp phụ vật lý đạt được hiệu suất thu giữ CO₂ cao hơn mà không cần các bước loại bỏ nước tốn kém.
Giáo sư Ryan Lively của ChBE@GT cho biết: "Đây là một bước tiến đáng khích lệ". “Chúng tôi đang chứng minh rằng bạn có thể thu giữ carbon với chi phí thấp bằng cách sử dụng cơ sở hạ tầng hiện có và vật liệu an toàn, giá thành thấp.”
Tiết kiệm Chi phí và Năng lượng
Mô hình kinh tế do nhóm của Lively thực hiện cho thấy việc tích hợp phương pháp dựa trên LNG này vào DAC có thể giảm chi phí thu giữ một tấn CO₂ xuống còn 70 đô la, giảm khoảng ba lần so với các phương pháp DAC hiện tại, thường vượt quá 200 đô la mỗi tấn.
Thông qua các mô phỏng và thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã xác định Zeolite 13X và CALF-20 là các chất hấp phụ vật lý hàng đầu cho quy trình DAC này. Zeolite 13X là một vật liệu hút ẩm rẻ tiền và bền được sử dụng trong xử lý nước, trong khi CALF-20 là một khung kim loại hữu cơ (MOF) được biết đến với tính ổn định và hiệu suất thu giữ CO2 từ khí thải, nhưng không phải từ không khí.
Các vật liệu này cho thấy khả năng hấp phụ CO₂ mạnh ở -78°C (nhiệt độ đại diện cho hệ thống LNG-DAC) với khả năng cao hơn khoảng ba lần so với các vật liệu amin hoạt động ở điều kiện môi trường xung quanh. Họ cũng giải phóng CO₂ đã thu giữ và tinh khiết với năng lượng đầu vào thấp, khiến chúng trở nên hấp dẫn cho mục đích sử dụng thực tế.
“Ngoài khả năng hấp thụ CO2 cao, cả hai chất hấp thụ vật lý đều thể hiện các đặc tính quan trọng như nhiệt giải hấp thấp, hiệu quả chi phí, khả năng mở rộng và độ ổn định lâu dài, tất cả đều cần thiết cho các ứng dụng thực tế”, tác giả chính Seo-Yul Kim, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Lively, cho biết.
Tận dụng Cơ sở hạ tầng Hiện có
Nghiên cứu cũng giải quyết một mối quan tâm chính đối với DAC: vị trí. Các hệ thống truyền thống thường phù hợp nhất với môi trường khô, mát. Nhưng bằng cách tận dụng cơ sở hạ tầng LNG hiện có, DAC gần như đông lạnh có thể được triển khai ở các vùng ven biển ôn đới và thậm chí ẩm ướt, mở rộng đáng kể phạm vi địa lý của việc loại bỏ carbon.
“Các hệ thống tái hóa khí LNG hiện là một nguồn năng lượng lạnh chưa được khai thác, với các nhà ga hoạt động ở quy mô lớn tại các vùng ven biển trên khắp thế giới”, Lively cho biết. “Bằng cách khai thác dù chỉ một phần năng lượng lạnh của chúng, chúng ta có khả năng hạn chế
giảm hơn 100 triệu tấn CO₂ mỗi năm vào năm 2050.”
Khi các chính phủ và ngành công nghiệp phải đối mặt với áp lực ngày càng tăng để đạt được mục tiêu phát thải ròng bằng 0, các giải pháp như DAC gần đông lạnh kết hợp với LNG mang đến một hướng đi đầy hứa hẹn. Các bước tiếp theo của nhóm nghiên cứu bao gồm việc tiếp tục tinh chỉnh vật liệu và thiết kế hệ thống để đảm bảo hiệu suất và độ bền ở quy mô lớn hơn.
“Đây là một ví dụ thú vị về cách việc xem xét lại các dòng năng lượng trong cơ sở hạ tầng hiện tại của chúng ta có thể dẫn đến việc giảm lượng khí thải carbon với chi phí thấp”, Lively nói.
Nghiên cứu cũng chứng minh rằng có thể sử dụng nhiều loại vật liệu hơn cho DAC. Mặc dù chỉ một số ít vật liệu có thể được sử dụng ở nhiệt độ môi trường, nhưng số lượng vật liệu khả thi tăng đáng kể ở nhiệt độ gần đông lạnh.
“Nhiều chất hấp thụ vật lý trước đây bị loại bỏ cho DAC đột nhiên trở nên khả thi khi nhiệt độ giảm xuống”, Giáo sư Matthew Realff, đồng tác giả của nghiên cứu và giáo sư tại ChBE@GT, cho biết. “Điều này mở ra một không gian thiết kế hoàn toàn mới cho các vật liệu thu giữ carbon.”
Tài liệu tham khảo: “Thu khí trực tiếp gần như đông lạnh bằng chất hấp phụ” của Seo-Yul Kim, Akriti Sarswat, Sunghyun Cho, MinGyu Song, Jinsu Kim, Matthew J. Realff, David S. Sholl và Ryan P. Lively, ngày 24 tháng 6 năm 2025, Khoa học Năng lượng & Môi trường.
DOI: 10.1039/D5EE01473E
