Lò phản ứng năng lượng mặt trời chuyển đổi CO2 và chất thải nhựa thành nhiên liệu bền vững
Các nhà nghiên cứu của Đại học Cambridge đã phát triển một lò phản ứng năng lượng mặt trời biến CO2 từ khí thải công nghiệp hoặc không khí và chất thải nhựa thành nhiên liệu bền vững và các hóa chất có giá trị. Nghiên cứu mang tính đột phá nêu bật một bước tiến quan trọng hướng tới nền kinh tế tuần hoàn, không sử dụng nhiên liệu hóa thạch. (hình ảnh khái niệm.)
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh làm thế nào carbon dioxide có thể được thu giữ từ các quy trình công nghiệp - hoặc thậm chí trực tiếp từ không khí - và biến thành nhiên liệu sạch, bền vững chỉ sử dụng năng lượng từ Mặt trời.
Các nhà nghiên cứu đến từ Đại học Cambridge đã phát triển một lò phản ứng chạy bằng năng lượng mặt trời để chuyển đổi khí CO2 và chất thải nhựa thu được thành nhiên liệu bền vững và các sản phẩm hóa học có giá trị khác. Trong các thử nghiệm, CO2 được chuyển đổi thành khí tổng hợp, thành phần chính tạo nên nhiên liệu lỏng bền vững và chai nhựa được chuyển đổi thành axit glycolic, được sử dụng rộng rãi trong ngành mỹ phẩm.
Tuy nhiên, không giống như các thử nghiệm trước đây về công nghệ nhiên liệu mặt trời, nhóm đã lấy CO2 từ các nguồn trong thế giới thực – chẳng hạn như khí thải công nghiệp hoặc chính không khí. Các nhà nghiên cứu đã có thể thu giữ và cô đặc khí CO2 và chuyển đổi nó thành nhiên liệu bền vững.
Bức ảnh cho thấy quá trình thu giữ carbon từ không khí và quá trình chuyển đổi quang điện hóa của nó thành nhiên liệu đồng thời với quá trình chuyển đổi nhựa thải thành hóa chất. Tín dụng: Ariffin Mohamad Annuar
Mặc dù cần có những cải tiến trước khi công nghệ này có thể được sử dụng ở quy mô công nghiệp, nhưng kết quả, được báo cáo trên tạp chí Joule, thể hiện một bước quan trọng khác đối với việc sản xuất nhiên liệu sạch để cung cấp năng lượng cho nền kinh tế mà không cần khai thác dầu khí gây hủy hoại môi trường.
Trong nhiều năm, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Erwin Reisner, có trụ sở tại Khoa Hóa học Yusuf Hamied, đã phát triển các loại nhiên liệu carbon ròng, bền vững lấy cảm hứng từ quá trình quang hợp – quá trình thực vật chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành thức ăn – sử dụng lá nhân tạo. Những chiếc lá nhân tạo này chuyển đổi CO2 và nước thành nhiên liệu chỉ bằng năng lượng mặt trời.
Cho đến nay, các thí nghiệm chạy bằng năng lượng mặt trời của họ đã sử dụng CO2 tinh khiết, cô đặc từ một xi lanh, nhưng để công nghệ này có thể sử dụng thực tế, nó cần có khả năng chủ động thu giữ CO2 từ các quy trình công nghiệp hoặc trực tiếp từ không khí. Tuy nhiên, vì CO2 chỉ là một trong nhiều loại phân tử trong không khí mà chúng ta hít thở nên việc làm cho công nghệ này đủ chọn lọc để chuyển đổi CO2 được pha loãng cao là một thách thức kỹ thuật lớn.
L-R: Erwin Reisner, Sayan Kar, Motiar Rahaman. Tín dụng: Ariffin Mohamad Annuar
Reisner cho biết: “Chúng tôi không chỉ quan tâm đến quá trình khử cacbon mà còn cả quá trình khử hóa thạch – chúng tôi cần loại bỏ hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch để tạo ra một nền kinh tế tuần hoàn thực sự”. “Trong trung hạn, công nghệ này có thể giúp giảm lượng khí thải carbon bằng cách thu hồi chúng từ ngành công nghiệp và biến chúng thành thứ gì đó hữu ích, nhưng cuối cùng, chúng ta cần loại bỏ hoàn toàn nhiên liệu hóa thạch ra khỏi phương trình và thu hồi CO2 từ không khí.”
Các nhà nghiên cứu đã lấy cảm hứng từ việc thu hồi và lưu trữ carbon (CCS), trong đó CO2 được thu giữ, sau đó được bơm và lưu trữ dưới lòng đất.
Reisner cho biết: “CCS là một công nghệ phổ biến trong ngành nhiên liệu hóa thạch như một cách để giảm lượng khí thải carbon trong khi tiếp tục thăm dò dầu khí. “Nhưng nếu thay vì thu hồi và lưu trữ carbon, chúng ta thu hồi và sử dụng carbon, thì chúng ta có thể tạo ra thứ gì đó hữu ích từ CO2 thay vì chôn nó dưới lòng đất, với những hậu quả lâu dài chưa biết và loại bỏ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch.”
Các nhà nghiên cứu đã điều chỉnh công nghệ chạy bằng năng lượng mặt trời của họ để nó hoạt động với khí thải hoặc trực tiếp từ không khí, chuyển đổi CO2 và nhựa thành nhiên liệu và hóa chất chỉ sử dụng năng lượng mặt trời.
Bằng cách cho không khí sủi bọt qua hệ thống có chứa dung dịch kiềm, CO2 sẽ bị giữ lại một cách có chọn lọc và các loại khí khác có trong không khí, chẳng hạn như nitơ và oxy, sẽ thoát ra ngoài một cách vô hại. Quá trình sủi bọt này cho phép các nhà nghiên cứu cô đặc CO2 từ không khí vào dung dịch, giúp làm việc dễ dàng hơn.
Hệ thống tích hợp chứa một photocathode và một anode. Hệ thống có hai ngăn: một ngăn chứa dung dịch CO2 được thu giữ để chuyển hóa thành khí tổng hợp, một loại nhiên liệu đơn giản. Mặt khác, nhựa được chuyển đổi thành các hóa chất hữu ích chỉ sử dụng ánh sáng mặt trời.
Tiến sĩ Motiar Rahaman, đồng tác giả đầu tiên cho biết: “Thành phần nhựa là một thủ thuật quan trọng đối với hệ thống này. “Việc thu giữ và sử dụng CO2 từ không khí khiến quá trình hóa học trở nên khó khăn hơn. Nhưng, nếu chúng ta thêm chất thải nhựa vào hệ thống, nhựa sẽ tặng điện tử cho CO2. Nhựa phân hủy thành axit glycolic, được sử dụng rộng rãi trong ngành mỹ phẩm và CO2 được chuyển hóa thành khí tổng hợp, một loại nhiên liệu đơn giản.”
Tiến sĩ Sayan Kar, đồng tác giả đầu tiên cho biết: “Hệ thống năng lượng mặt trời này sử dụng hai chất thải có hại – nhựa và khí thải carbon – và biến chúng thành một thứ thực sự hữu ích.
“Thay vì lưu trữ CO2 dưới lòng đất, như trong CCS, chúng tôi có thể thu giữ nó từ không khí và
làm nhiên liệu sạch từ nó,” Rahaman nói. “Bằng cách này, chúng ta có thể loại bỏ ngành công nghiệp nhiên liệu hóa thạch khỏi quy trình sản xuất nhiên liệu, điều này hy vọng có thể giúp chúng ta tránh được sự tàn phá khí hậu.”
Kar cho biết: “Việc chúng ta có thể lấy CO2 từ không khí một cách hiệu quả và tạo ra thứ gì đó hữu ích từ nó là điều đặc biệt. “Thật hài lòng khi thấy rằng chúng tôi thực sự có thể làm điều đó chỉ bằng ánh sáng mặt trời.”
Các nhà khoa học hiện đang làm việc trên một thiết bị trình diễn để bàn với hiệu quả và tính thực tế được cải thiện để làm nổi bật những lợi ích của việc kết hợp việc thu khí trực tiếp với việc sử dụng CO2 như một con đường dẫn đến một tương lai không carbon.
Tham khảo: “Tích hợp thu hồi và sử dụng CO2 từ khí thải và không khí nhờ năng lượng mặt trời” của Sayan Kar, Motiar Rahaman, Virgil Andrei, Subhajit Bhattacharjee, Souvik Roy và Erwin Reisner, ngày 19 tháng 6 năm 2023, Joule.
DOI: 10.1016/j.joule.2023.05.022
Nghiên cứu được hỗ trợ một phần bởi Viện Khoa học Weizmann, Học bổng Marie Skłodowska-Curie của Ủy ban Châu Âu, Chương trình Winton về Vật lý bền vững và Hội đồng Nghiên cứu Khoa học Vật lý và Kỹ thuật (EPSRC), một phần của Nghiên cứu và Đổi mới Vương quốc Anh ( UKRI). Erwin Reisner là Nghiên cứu sinh và Motiar Rahaman là Cộng tác viên Nghiên cứu của Đại học St John's, Cambridge. Erwin Reisner lãnh đạo Trung tâm nhựa tròn Cambridge (CirPlas), nhằm mục đích loại bỏ rác thải nhựa bằng cách kết hợp suy nghĩ về bầu trời xanh với các biện pháp thực tế.
