Khám phá đột phá trong chuyển đổi thu giữ carbon để sản xuất ethylene
bởi Laura Fletcher, Đại học Illinois tại Chicago
Hình minh họa trừu tượng về các nguyên tử đi qua nước và một màng nhiễm điện dưới ánh nắng mặt trời. Ảnh: Meenesh Singh
Một nhóm các nhà nghiên cứu do Meenesh Singh tại Đại học Illinois Chicago dẫn đầu đã phát hiện ra cách chuyển đổi 100% carbon dioxide thu được từ khí thải công nghiệp thành ethylene, một nguyên tố chính tạo nên các sản phẩm nhựa.
Phát hiện của họ được công bố trên Tạp chí Cell Reports Physical Science.
Trong khi các nhà nghiên cứu đã khám phá khả năng chuyển đổi carbon dioxide thành ethylene trong hơn một thập kỷ, phương pháp của nhóm UIC là phương pháp đầu tiên đạt được gần như 100% việc sử dụng carbon dioxide để sản xuất hydrocacbon. Hệ thống của họ sử dụng quá trình điện phân để biến đổi khí carbon dioxide bị thu giữ thành ethylene có độ tinh khiết cao, với các nhiên liệu gốc carbon khác và oxy là sản phẩm phụ.
Quá trình này có thể chuyển đổi tối đa 6 tấn carbon dioxide thành 1 tấn ethylene, tái chế gần như tất cả carbon dioxide được thu giữ. Bởi vì hệ thống chạy bằng điện, việc sử dụng năng lượng tái tạo có thể làm cho quá trình này trở nên âm tính.
Theo Singh, phương pháp tiếp cận của nhóm của ông vượt qua mục tiêu không có carbon thuần của các công nghệ chuyển đổi và thu giữ carbon khác bằng cách thực sự giảm tổng sản lượng carbon dioxide từ ngành công nghiệp. "Đó là một âm ròng," ông nói. "Cứ 1 tấn ethylene được tạo ra, bạn đang lấy 6 tấn CO2 từ các nguồn điểm mà nếu không sẽ thải vào khí quyển."
Những nỗ lực trước đây trong việc chuyển đổi carbon dioxide thành ethylene đã dựa vào các lò phản ứng tạo ra ethylene trong dòng phát thải carbon dioxide nguồn. Trong những trường hợp này, ít nhất 10% lượng CO2 thải ra thường chuyển thành ethylene. Sau đó, ethylene phải được tách ra khỏi carbon dioxide trong một quá trình sử dụng nhiều năng lượng, thường liên quan đến nhiên liệu hóa thạch.
Theo cách tiếp cận của UIC, một dòng điện được truyền qua một tế bào, một nửa trong số đó chứa đầy carbon dioxide được thu giữ, nửa còn lại bằng dung dịch nước. Một chất xúc tác được điện hóa hút các nguyên tử hydro tích điện từ các phân tử nước vào nửa còn lại của đơn vị được ngăn cách bởi một màng, nơi chúng kết hợp với các nguyên tử carbon tích điện từ các phân tử carbon dioxide để tạo thành ethylene.
Trong số các hóa chất được sản xuất trên toàn thế giới, ethylene đứng thứ ba về lượng khí thải carbon sau amoniac và xi măng. Ethylene không chỉ được sử dụng để tạo ra các sản phẩm nhựa cho ngành công nghiệp bao bì, nông nghiệp và ô tô mà còn được sử dụng để sản xuất các hóa chất dùng trong chất chống đông, chất khử trùng y tế và vách vinyl cho nhà ở.
Ethylene thường được tạo ra trong một quá trình gọi là cracking hơi nước cần một lượng nhiệt rất lớn. Việc bẻ khóa tạo ra khoảng 1,5 tấn khí thải carbon trên mỗi tấn ethylene được tạo ra. Trung bình, các nhà sản xuất sản xuất khoảng 160 triệu tấn ethylene mỗi năm, dẫn đến phát thải hơn 260 triệu tấn carbon dioxide trên toàn thế giới.
Ngoài ethylene, các nhà khoa học của UIC có thể sản xuất các sản phẩm giàu carbon khác hữu ích cho ngành công nghiệp bằng phương pháp điện phân của họ. Họ cũng đạt được hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời rất cao, chuyển đổi trực tiếp 10% năng lượng từ các tấm pin mặt trời thành sản phẩm carbon. Con số này cao hơn nhiều so với tiêu chuẩn hiện đại là 2%. Đối với tất cả ethylene mà họ tạo ra, hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời là khoảng 4%, xấp xỉ tỷ lệ với quá trình quang hợp.
