Giảm lượng khí thải carbon: Hệ thống lò phản ứng mới chuyển đổi carbon dioxide thành nhiên liệu có thể sử dụng
của Viện Công nghệ Shibaura
Các nhà nghiên cứu từ Nhật Bản và Ba Lan đã phát triển một thiết kế lò phản ứng có khả năng thu giữ hiệu quả lượng khí thải CO2 và chuyển đổi chúng thành nhiên liệu mêtan có thể sử dụng được. Bước đột phá này có thể làm giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính, mở đường cho một tương lai không có carbon. Nguồn: Giáo sư Mikihiro Nomura SIT, Nhật Bản
Giảm lượng khí thải carbon từ các hệ thống đốt quy mô nhỏ, như nồi hơi và các thiết bị công nghiệp khác, là một bước quan trọng hướng tới xây dựng một tương lai trung hòa carbon, bền vững hơn. Nồi hơi được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau cho các quy trình thiết yếu như sưởi ấm, tạo hơi nước và sản xuất điện, khiến chúng góp phần đáng kể vào việc phát thải khí nhà kính.
Nồi hơi nhìn chung khá hiệu quả. Do đó, rất khó để giảm lượng khí thải CO2 chỉ bằng cách cải thiện hiệu suất đốt cháy. Do đó, các nhà nghiên cứu đang khám phá các phương pháp thay thế để giảm thiểu tác động môi trường của khí thải CO2 từ nồi hơi. Một chiến lược đầy hứa hẹn cho mục đích này là thu hồi CO2 phát ra từ các hệ thống này và chuyển nó thành sản phẩm hữu ích, chẳng hạn như metan.
Để thực hiện chiến lược này, cần có một loại lò phản ứng màng cụ thể, được gọi là lò phản ứng màng loại phân phối (DMR), có thể tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng hóa học cũng như tách khí. Mặc dù DMR được sử dụng trong một số ngành công nghiệp nhất định, nhưng ứng dụng của chúng để chuyển đổi CO2 thành khí mê-tan, đặc biệt là trong các hệ thống quy mô nhỏ như nồi hơi, vẫn chưa được khám phá tương đối.
Khoảng trống nghiên cứu này đã được giải quyết bởi một nhóm các nhà nghiên cứu đến từ Nhật Bản và Ba Lan, đứng đầu là Giáo sư Mikihiro Nomura từ Viện Công nghệ Shibaura ở Nhật Bản và Giáo sư Grzegorz Brus từ Đại học Khoa học và Công nghệ AGH ở Ba Lan. Phát hiện của họ đã được công bố trên Tạp chí sử dụng CO2.
Nhóm đã tiến hành phương pháp tiếp cận theo hai hướng để giải quyết vấn đề thông qua mô phỏng số và nghiên cứu thực nghiệm nhằm tối ưu hóa thiết kế lò phản ứng nhằm chuyển đổi hiệu quả CO2 từ nồi hơi nhỏ thành khí mê-tan. Trong mô phỏng của mình, nhóm nghiên cứu đã mô hình hóa cách các chất khí chảy và phản ứng trong các điều kiện khác nhau. Đổi lại, điều này cho phép họ giảm thiểu sự thay đổi nhiệt độ, đảm bảo mức tiêu thụ năng lượng được tối ưu hóa trong khi việc sản xuất khí mê-tan vẫn đáng tin cậy.
Nhóm nghiên cứu còn phát hiện thêm rằng, không giống như các phương pháp truyền thống dẫn khí vào một vị trí duy nhất, thiết kế cấp liệu phân tán có thể phân tán khí vào lò phản ứng thay vì đưa chúng vào từ một nơi. Ngược lại, điều này giúp phân phối CO2 tốt hơn khắp màng, ngăn không cho bất kỳ vị trí nào bị quá nóng.
Giáo sư Nomura giải thích: “Thiết kế DMR này đã giúp chúng tôi giảm mức tăng nhiệt độ khoảng 300 độ so với lò phản ứng giường kín truyền thống”.
Ngoài thiết kế cấp liệu phân tán, các nhà nghiên cứu còn khám phá các yếu tố khác ảnh hưởng đến hiệu suất của lò phản ứng và phát hiện ra rằng một biến số quan trọng là nồng độ CO2 trong hỗn hợp. Việc thay đổi lượng CO2 trong hỗn hợp sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của phản ứng.
"Khi nồng độ CO2 khoảng 15%, tương tự như khí thoát ra từ nồi hơi, lò phản ứng sản xuất khí mê-tan tốt hơn nhiều. Trên thực tế, nó có thể tạo ra lượng khí mê-tan nhiều hơn khoảng 1,5 lần so với lò phản ứng thông thường chỉ có CO2 tinh khiết. làm việc cùng," Giáo sư Nomura nói.
Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đã điều tra tác động của kích thước lò phản ứng và nhận thấy rằng việc tăng kích thước lò phản ứng sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc cung cấp hydro cho phản ứng. Tuy nhiên, có một sự đánh đổi được coi là lợi ích của lượng hydro sẵn có cao hơn đòi hỏi phải quản lý nhiệt độ cẩn thận để tránh quá nóng.
Do đó, nghiên cứu này đưa ra một giải pháp đầy hứa hẹn cho vấn đề giải quyết nguồn phát thải khí nhà kính chính. Bằng cách sử dụng DMR, lượng khí thải CO2 có nồng độ thấp có thể được chuyển đổi thành công thành nhiên liệu mêtan có thể sử dụng được.
Lợi ích thu được không chỉ giới hạn ở quá trình metan hóa mà còn có thể áp dụng cho các phản ứng khác, khiến phương pháp này trở thành một công cụ linh hoạt để tận dụng CO2 hiệu quả ngay cả đối với các hộ gia đình và nhà máy nhỏ.
