Nó được sử dụng trong mọi thứ, từ dầu gội đầu đến bao bì, nhưng ethylene hóa dầu có hàm lượng carbon cực cao. Giờ đây, một nhóm tại trường đại học hàng đầu Canada đang tạo ra một giải pháp thay thế bền vững
Tiến sĩ Christine Gabardo, đồng sáng lập và giám đốc công nghệ tại công ty khởi nghiệp CERT Systems của Đại học Toronto. Ảnh: Schatzypants Inc
Dầu gội đầu. Chất chống đông. Bao bì thực phẩm. Điện tử, dệt may và vật liệu xây dựng. Những thứ này và nhiều thứ khác đều có một thành phần chung: chúng chứa ethylene, chất hóa dầu được sản xuất và sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới, được sử dụng để giúp làm cho sản phẩm nhẹ, bền hoặc không thấm nước.
Nhưng việc sản xuất ethylene thông thường sẽ thải ra một lượng lớn khí nhà kính góp phần gây ra khủng hoảng khí hậu. Ethylene không chỉ sử dụng nhiên liệu hóa thạch, chủ yếu là khí tự nhiên, làm nguyên liệu thô cấu thành mà còn sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nguồn năng lượng cho quá trình sản xuất.
Tiến sĩ Christine Gabardo, cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Đại học Toronto, người đang tiên phong trong một cải tiến đột phá giúp tạo ra ethylene mà không cần nhiên liệu hóa thạch, cho biết: “Cứ mỗi tấn ethylene, một đến hai tấn carbon dioxide được thải ra thông qua quy trình sản xuất thông thường”. và sẵn sàng mở rộng quy mô thương mại.
Gabardo đồng sáng lập CERT Systems Inc, một công ty khởi nghiệp đang phát triển công nghệ tiên tiến cần thiết để loại bỏ nhiên liệu hóa thạch vừa là nguyên liệu thô cấu thành của ethylene, vừa khỏi các quy trình sử dụng nhiều carbon cần thiết để sản xuất ra nó.
Bà nói: “Các nhà sản xuất toàn cầu tạo ra khoảng 200 triệu tấn ethylene mỗi năm và con số này dự kiến sẽ tăng đáng kể trong thập kỷ tới, bởi vì ethylene là một phân tử khối xây dựng quan trọng được sử dụng trong rất nhiều sản phẩm hạ nguồn”.
Có nguồn gốc từ ethylene, polyethylene (trong hình ở dạng cơ bản là dạng viên) là loại nhựa được sản xuất phổ biến nhất trên thế giới. Ảnh: ScottPaulsonNhiếp ảnh / Getty Images
Hiện là giám đốc công nghệ của CERT, Gabardo giải thích rằng nhóm đã có thể tạo ra ethylene bằng quy trình gọi là điện phân CO 2 hoạt động ở nhiệt độ môi trường xung quanh và năng lượng đầu vào duy nhất là điện tái tạo. Đồng tạo thành cơ sở của chất xúc tác tách nước và carbon dioxide, sau đó chuyển chúng thành hydrocarbon như ethylene. Không có khí thải độc hại và tất cả các sản phẩm phụ hóa học có thể được sử dụng bởi các quy trình công nghiệp khác nhau.
“Tương lai là điện. Tiến sĩ Alex Ip, người đồng sáng lập Hệ thống CERT với Gabardo, cho biết chúng tôi dự kiến sẽ tăng hơn gấp đôi công suất điện tái tạo trong thập kỷ này. “Điều này sẽ cho phép chúng tôi chuyển đổi hoạt động sản xuất hóa chất bằng cách sử dụng điện phân CO 2 và chấm dứt sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.”
Gabardo nói rằng sứ mệnh của CERT là tạo ra tác động lớn với công nghệ, giải thích cách quy trình mới này thực sự sử dụng carbon dioxide, từ việc thu giữ không khí trực tiếp hoặc từ các nguồn công nghiệp, thay vì sản xuất ra nó. “Chúng tôi tiêu thụ ba tấn carbon dioxide cho mỗi tấn ethylene mà chúng tôi sản xuất, thay vì thải ra nó qua quy trình nhiệt độ cao.”
Vì vậy, với việc sử dụng carbon dioxide làm nguyên liệu thô, kết hợp với việc không tạo ra khí thải carbon, Gabardo cho biết phương pháp mới này tránh được tới 5 tấn khí thải carbon dioxide cho mỗi tấn ethylene được sản xuất. Cô nói thêm rằng ethylene này giống hệt về mặt hóa học với ethylene thông thường, vì vậy nó sẽ không cần phải được chứng nhận lại - nó có thể đơn giản được đưa vào một số lượng lớn các ứng dụng công nghiệp hiện có.
Đội ngũ kỹ sư, nhà điện hóa và chuyên gia vật liệu của Gabardo lần đầu tiên đã trình diễn thành công phương pháp này ở quy mô phòng thí nghiệm trong một thùng chứa có kích thước bằng khối Rubik. Vào năm 2020, khi CERT Systems lọt vào vòng chung kết của cuộc thi NRG COSIA Carbon XPRIZE, cuộc thi này đã được nhân rộng khoảng 10.000 lần để triển khai thí điểm trong một đơn vị có kích thước bằng một chiếc xe tải container có thể xử lý 100kg carbon dioxide mỗi ngày. Tiếp theo, Hệ thống CERT tách ra khỏi trường đại học và nhận được tài trợ từ Bộ Tài nguyên Thiên nhiên Canada để cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng và độ bền của quy trình. Vào năm 2022, cả Gabardo và Ip đều được Tổ chức Năng lượng Đột phá do Bill Gates hậu thuẫn vinh danh là Nghiên cứu sinh Nhà đổi mới Năng lượng Đột phá, nhận được tài trợ để chứng minh khả năng thu khí trực tiếp thành ethylene. Cô nói, bây giờ mục tiêu là áp dụng những cải tiến này cho một hệ thống lớn hơn đáng kể.
Một người đồng sáng lập khác của CERT Systems là David Sinton, giáo sư về kỹ thuật cơ khí tại Đại học Toronto, người hy vọng rằng bản chất mô-đun của công nghệ này sẽ cho phép mở rộng quy mô thương mại: “Giống như các máy chủ web có trang trại máy chủ chứ không phải là một trang trại lớn duy nhất. máy chủ, chúng tôi có thể nhân số lượng đơn vị chúng tôi có và điều đó mang lại cho chúng tôi một lộ trình, từ quy mô nhỏ đến quy mô lớn,” ông nói và cho biết thêm rằng khả năng chi trả sẽ là một thách thức lớn.
Sinton cho biết: “Lý do ethylene được sản xuất ở quy mô đáng kinh ngạc như vậy là vì nó được sản xuất với giá rẻ và mức giá thấp đó là rào cản đối với các công nghệ mới”. “Đúng, chúng tôi có động lực trở thành công ty dẫn đầu toàn cầu về công nghệ năng lượng xanh nhưng động lực lớn hơn là giảm thiểu tổng thể lượng khí thải CO2 – chúng tôi cần những công nghệ hiện chưa có. Nếu không thì các vấn đề xã hội của chúng ta sẽ khó giải quyết được.”
Gabardo và Sinton đồng ý rằng tư duy đa dạng là chìa khóa để giải quyết vấn đề - và cũng giống như Hệ thống CERT làm việc với nhiều học giả, Đại học Toronto đang khuyến khích sự hợp tác nhiều hơn giữa nhiều khoa, ngay cả ở giai đoạn đầu của nghiên cứu học thuật thông qua Khí hậu mới. Sáng kiến Năng lượng Tích cực. Được lãnh đạo bởi Sinton, trung tâm này tập hợp các kỹ sư và nhà khoa học cùng với các chuyên gia về chính sách, luật, kinh doanh, kinh tế và khoa học xã hội để phát triển các giải pháp năng lượng sạch có tính khả thi cho các ứng dụng trong thế giới thực. Ví dụ, ngay cả khi hóa học hoạt động, chỉ có cách tiếp cận liên ngành mới xác định được liệu một số công nghệ khí hậu nhất định có khả thi và được xã hội chấp nhận hay không.
Vậy hệ thống CERT có thể làm được gì? Với động thái hướng tới mở rộng quy mô thương mại, nó không chỉ liên quan đến ethylene. Như Gabardo nói, bằng cách sử dụng các chất xúc tác khác nhau hoặc thay đổi điều kiện phản ứng, các hóa chất cơ bản hữu ích khác có thể được tạo ra bằng cách sử dụng carbon dioxide: “Chúng tôi đang thực hiện sứ mệnh thay đổi cách thức sản xuất tất cả các hóa chất quan trọng nhất trên thế giới bằng cách sử dụng điện hóa sạch, " cô ấy nói. “Ở quy mô lớn, điều này có khả năng tránh được hàng gigaton khí thải, vì vậy điều đó sẽ tạo ra sự khác biệt lớn khi chúng tôi cố gắng khử cacbon cho toàn bộ hệ thống sản xuất và năng lượng của mình.”
Gặp gỡ cộng đồng phi thường đang vượt qua ranh giới của những gì có thể tại utoronto.ca/news
