Amoniac đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sản xuất lương thực cho dân số ngày càng tăng của thế giới, nhưng việc sản xuất nó chiếm khoảng 2% mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu và 1,4% lượng khí thải carbon dioxide. Các kỹ sư của Đại học Rice đã phát triển một thiết kế lò phản ứng mang tính cách mạng có thể khử cacbon trong sản xuất amoniac đồng thời giảm thiểu ô nhiễm nước.
Feng-Yang Chen với nguyên mẫu hệ thống lò phản ứng là chủ đề của một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Catalysis . Tín dụng: Jeff Fitlow/Rice University
Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Catalysis , một nhóm kỹ sư của Rice do Haotian Wang đứng đầu đã mô tả quá trình phát triển một hệ thống lò phản ứng mới có khả năng chuyển đổi nitrat - chất ô nhiễm phổ biến có trong nước thải công nghiệp và chất thải nông nghiệp - thành amoniac, một hóa chất quan trọng không chỉ được sử dụng trong phân bón mà còn trong nhiều sản phẩm công nghiệp và thương mại, từ chất tẩy rửa gia dụng đến nhựa, thuốc nổ và thậm chí cả nhiên liệu.
Hiện nay, amoniac là một trong những hóa chất được sản xuất rộng rãi nhất trên thế giới, với nhu cầu toàn cầu vượt quá 180 triệu tấn mỗi năm. Cách chính để sản xuất amoniac là quy trình Haber-Bosch, bao gồm phản ứng giữa hydro và nitơ xảy ra trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao và phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng tập trung quy mô lớn.
Một phương pháp thay thế cho quá trình này là tổng hợp điện hóa, trong đó sử dụng điện để thúc đẩy các phản ứng hóa học.
"Điện hóa học có thể xảy ra ở nhiệt độ phòng, dễ dàng mở rộng quy mô cho các hệ thống cơ sở hạ tầng khác nhau và có khả năng sử dụng năng lượng tái tạo phi tập trung", Feng-Yang Chen, một sinh viên tốt nghiệp tại Rice và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.
"Tuy nhiên, thách thức hiện tại đối với công nghệ này là cần phải có một lượng lớn hóa chất phụ gia trong quá trình chuyển đổi điện hóa. Lò phản ứng mà chúng tôi phát triển sử dụng các ion có thể tái chế và hệ thống ba buồng để cải thiện hiệu quả của phản ứng."
Một trong những cải tiến quan trọng nằm ở việc sử dụng chất điện phân rắn xốp, giúp loại bỏ nhu cầu về nồng độ cao của chất điện phân hỗ trợ—một vấn đề đã cản trở những nỗ lực trước đây nhằm chuyển đổi nitrat thành amoniac một cách bền vững. Hơn nữa, việc cung cấp năng lượng cho quá trình chuyển đổi bằng năng lượng tái tạo về cơ bản sẽ giúp sản xuất amoniac trung hòa carbon.
Chen, người đang theo đuổi bằng tiến sĩ về kỹ thuật hóa học và phân tử sinh học dưới sự hướng dẫn của Wang, cho biết: "Chúng tôi đã tiến hành các thí nghiệm trong đó chúng tôi cho nước bị ô nhiễm nitrat chảy qua lò phản ứng này và đo lượng amoniac được tạo ra cũng như độ tinh khiết của nước đã xử lý".
"Chúng tôi phát hiện ra rằng hệ thống lò phản ứng mới của chúng tôi có thể biến nước bị ô nhiễm nitrat thành amoniac tinh khiết và nước sạch rất hiệu quả, mà không cần thêm hóa chất. Nói một cách đơn giản, bạn cho nước thải vào, và bạn sẽ thu được amoniac tinh khiết và nước tinh khiết."
Hệ thống lò phản ứng mới tạo ra một con đường chuyển đổi nitrat thành amoniac bằng điện hóa có thể loại bỏ nhu cầu khử nitrat—quy trình mà các nhà máy xử lý nước thải loại bỏ nitrat khỏi nước bị ô nhiễm, tạo ra nitơ được đưa vào quy trình Haber-Bosch. Ngoài việc bỏ qua cả hai tuyến khử nitrat truyền thống và Haber-Bosch, phương pháp này còn cung cấp một phương pháp khử nhiễm nước hiệu quả.
Pedro Alvarez, Giáo sư Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường George R. Brown, giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Hệ thống Nano về Xử lý Nước bằng Công nghệ Nano và Viện Nghiên cứu và Khởi nghiệp Công nghệ Nước tại Rice, cho biết: "Nitrate là một trong những chất gây ô nhiễm ưu tiên thường xuyên vi phạm các tiêu chuẩn về nước uống và là mối quan ngại đáng kể ở các thành phố đang phát triển khi đất nông nghiệp có nguồn nước ngầm bị ô nhiễm nitrat được chuyển đổi thành đất phát triển đô thị".
Theo Alvarez, "Quá trình loại bỏ nitrat thông thường trong xử lý nước uống liên quan đến trao đổi ion hoặc lọc màng bằng thẩm thấu ngược, tạo ra nước muối và chuyển vấn đề nitrat từ pha này sang pha khác."
Alvarez cho biết: "Sáng kiến của Giáo sư Wang rất kịp thời và quan trọng vì nó đưa ra giải pháp loại bỏ độc tính của nitrat và các trách nhiệm liên quan mà không cần phải thêm hóa chất xử lý".
Ý nghĩa của công trình này vượt xa việc sản xuất amoniac. Thiết kế lò phản ứng và đánh giá kinh tế kỹ thuật đi kèm của nghiên cứu có thể giúp cung cấp thông tin cho các nghiên cứu sâu hơn về các quy trình hóa học thân thiện với môi trường khác, có khả năng chuyển đổi cách các ngành công nghiệp giải quyết các thách thức về môi trường.
Wang, phó giáo sư về kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử, khoa học vật liệu và kỹ thuật nano, và hóa học tại Rice, cho biết: "Những phát hiện của chúng tôi gợi ý một phương pháp mới, xanh hơn để giải quyết cả ô nhiễm nước và sản xuất amoniac, có thể ảnh hưởng đến cách các ngành công nghiệp và cộng đồng xử lý những thách thức này".
"Nếu chúng ta muốn khử cacbon khỏi lưới điện và đạt được mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050, chúng ta cần phải cấp bách phát triển các phương pháp thay thế để sản xuất amoniac một cách bền vững."
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
