Đá trộn axit amin lưu trữ khí mê-tan chỉ trong vài phút
Giáo sư Praveen Linga và nhóm nghiên cứu của ông, Yunhan Ma (trái) và Tiến sĩ Ye Zhang (giữa), tại phòng thí nghiệm, nơi công nghệ đá biến đổi axit amin được phát triển.
Nếu bạn đã từng nấu ăn trên bếp gas hoặc chứng kiến ngọn lửa bập bùng chỉ bằng một cái vặn núm, thì bạn đã thấy khí thiên nhiên hoạt động. Tuy nhiên, việc cung cấp năng lượng đó ở quy mô lớn phức tạp hơn nhiều. Ngày nay, khí thiên nhiên chủ yếu được lưu trữ dưới áp suất cao hoặc được làm lạnh thành chất lỏng ở -162 °C — cả hai phương pháp đều tiêu tốn năng lượng và chi phí cao. Một phương pháp thay thế, được gọi là khí thiên nhiên hóa rắn, khóa khí mê-tan bên trong một lớp vỏ giống như băng gọi là hydrat. Nhưng trên thực tế, những hydrat này thường hình thành quá chậm để có thể áp dụng ở quy mô lớn.
Các nhà nghiên cứu do Giáo sư Praveen Linga dẫn đầu từ Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học Phân tử thuộc Trường Cao đẳng Thiết kế và Kỹ thuật, Đại học Quốc gia Singapore, đã tìm ra một giải pháp đơn giản bằng cách bổ sung axit amin — thành phần cấu tạo nên protein. Trong một nghiên cứu mới có tên "Chuyển đổi nhanh chóng băng biến tính axit amin thành metan hydrat để lưu trữ năng lượng bền vững" được công bố trên tạp chí Nature Communications, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc đông lạnh nước với một lượng nhỏ các hợp chất tự nhiên này sẽ tạo ra "băng biến tính axit amin" có khả năng khóa khí metan chỉ trong vài phút. Trong các thử nghiệm, vật liệu này đạt 90% khả năng lưu trữ chỉ trong hơn hai phút, so với nhiều giờ đối với các hệ thống thông thường.
Phương pháp này cũng mang lại lợi ích cho môi trường. Vì axit amin có khả năng phân hủy sinh học, phương pháp này ngăn ngừa các rủi ro về môi trường do chất hoạt động bề mặt thường được sử dụng để tăng tốc độ hình thành hydrat gây ra. Nó cũng cho phép giải phóng metan theo nhu cầu bằng cách gia nhiệt nhẹ, sau đó băng có thể được đông lạnh lại và tái sử dụng, tạo ra một chu trình lưu trữ khép kín. Sự kết hợp giữa hiệu suất và tính bền vững này khiến phương pháp này trở nên hấp dẫn đối với việc lưu trữ khí đốt tự nhiên quy mô lớn cũng như các nguồn metan sinh học tái tạo quy mô nhỏ hơn. Nhóm nghiên cứu cũng nhận thấy tiềm năng ứng dụng kỹ thuật này để lưu trữ các loại khí khác, bao gồm carbon dioxide và hydro.
Hydrat hóa nhanh hơn với một bước ngoặt sinh học
Ý tưởng đằng sau vật liệu mới này vô cùng hiệu quả nhưng lại vô cùng đơn giản: trộn nước với axit amin, đông lạnh nó và sau đó cho đá tiếp xúc với khí metan. Trong phòng thí nghiệm, loại đá biến đổi axit amin này nhanh chóng chuyển thành chất rắn màu trắng, nở ra - bằng chứng cho thấy metan đã bị giữ bên trong dưới dạng hydrat. Chỉ trong vòng hơn hai phút, vật liệu này đã lưu trữ lượng metan gấp 30 lần so với đá thường.
Điều này có thể xảy ra vì axit amin làm thay đổi đặc tính bề mặt của đá. Các axit amin kỵ nước như tryptophan thúc đẩy sự hình thành các lớp chất lỏng nhỏ trên bề mặt đá khi metan được bơm vào. Những lớp này hoạt động như một mảnh đất màu mỡ cho các tinh thể hydrat phát triển, tạo ra một cấu trúc xốp, giống như bọt biển, giúp tăng tốc độ thu khí. Ngược lại, đá thường có xu hướng tạo thành một lớp màng dày bên ngoài, ngăn chặn metan khuếch tán vào bên trong, làm chậm quá trình này đáng kể.
Để thăm dò những gì đang xảy ra ở cấp độ phân tử, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang quang phổ Raman, một kỹ thuật theo dõi cách ánh sáng tán xạ từ các phân tử rung động. Các thí nghiệm này cho thấy khí mê-tan nhanh chóng lấp đầy hai loại lồng siêu nhỏ bên trong cấu trúc hydrat, với tỷ lệ lấp đầy trên 90%. "Điều này cung cấp cho chúng tôi bằng chứng trực tiếp rằng các axit amin không chỉ đẩy nhanh quá trình mà còn cho phép khí mê-tan tích tụ hiệu quả vào các lồng hydrat", Tiến sĩ Ye Zhang, tác giả chính của bài báo, Nghiên cứu viên tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học Phân tử, cho biết.
Nhóm nghiên cứu cũng đã thử nghiệm các loại axit amin khác nhau và tìm thấy một mô hình rõ ràng. Đáng chú ý, các axit amin kỵ nước như methionine và leucine hoạt động tốt, trong khi các axit amin ưa nước như histidine và arginine thì không. Giáo sư Linga cho biết "quy tắc thiết kế" này có thể định hướng cho các nỗ lực trong tương lai nhằm điều chỉnh bề mặt băng để lưu trữ khí.
Mẫu băng biến đổi axit amin do Giáo sư Linga và nhóm của ông phát triển, có khả năng thu giữ khí mê-tan dưới dạng hydrat một cách nhanh chóng.
Từ kết quả phòng thí nghiệm đến chu trình lưu trữ năng lượng
Công trình của các nhà nghiên cứu vẫn đang ở giai đoạn chứng minh khái niệm, nhưng hiệu suất của loại băng biến đổi này rất hứa hẹn. Ở nhiệt độ gần đóng băng và áp suất vừa phải, băng axit amin vượt trội hơn một số vật liệu xốp tiên tiến nhất, bao gồm khung kim loại-hữu cơ và zeolit, được sử dụng để lưu trữ khí tự nhiên — không chỉ về lượng khí mê-tan mà nó có thể chứa mà còn về tốc độ lấp đầy. Và không giống như các hệ thống dựa trên chất hoạt động bề mặt, nó không tạo bọt trong quá trình giải phóng khí, một rào cản lớn đối với hoạt động quy mô lớn.
Điều quan trọng không kém là khả năng làm rỗng và tái sử dụng hệ thống. Bằng cách làm ấm nhẹ hydrat, nhóm nghiên cứu có thể thu hồi toàn bộ lượng khí mê-tan đã lưu trữ. Dung dịch còn lại sau đó có thể được đông lạnh lại để tạo thành băng biến đổi axit amin mới, thiết lập một chu trình "sạc-xả" lặp lại, gợi nhớ đến cách pin lưu trữ và tái tạo.
Giải phóng năng lượng.
Khả năng tái sử dụng và tính bền vững khiến phương pháp này trở nên hấp dẫn trong việc xử lý nguồn cung cấp khí sinh học phân tán tái tạo quy mô nhỏ, thường có quy mô quá nhỏ để biện minh cho các cơ sở lưu trữ áp suất cao hoặc hóa lỏng đắt đỏ. Nhóm nghiên cứu cũng đang tìm hiểu cách mở rộng quy trình cho các hệ thống lớn hơn, bao gồm thiết kế lò phản ứng duy trì tiếp xúc khí-lỏng-rắn hiệu quả, cũng như thử nghiệm với hỗn hợp khí tự nhiên chứa metan, etan và propan. Các hướng khác bao gồm cải thiện độ ổn định của hydrat thông qua các hệ thống composite được thiết kế bằng axit amin, và cuối cùng là áp dụng phương pháp này cho các loại khí như carbon dioxide và hydro.
“Khí tự nhiên và khí sinh học là những thành phần quan trọng trong hỗn hợp năng lượng ngày nay, nhưng việc lưu trữ và vận chuyển chúng từ lâu đã dựa vào các phương pháp tốn kém hoặc thải ra nhiều carbon”, Giáo sư Linga nói thêm. “Những gì chúng tôi đang trình bày là một con đường đơn giản, có thể phân hủy sinh học, vừa có thể hoạt động nhanh chóng vừa có thể tái sử dụng. Nó giúp việc lưu trữ khí an toàn hơn, xanh hơn và dễ thích ứng hơn.”
