Phương pháp chi phí thấp có thể loại bỏ CO₂ khỏi không khí bằng cách sử dụng nhiệt độ lạnh và các vật liệu thông thường
tác giả: Brad Dixon, Viện Công nghệ Georgia
Kết quả mô phỏng phân tử cho các cấu trúc trong cơ sở dữ liệu CoRE-MOF-DDEC. Tín dụng: Khoa học Năng lượng & Môi trường (2025). DOI: 10.1039/D5EE01473E
Các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật Hóa học và Sinh học Phân tử (ChBE) của Viện Công nghệ Georgia đã phát triển một phương pháp đầy hứa hẹn để loại bỏ carbon dioxide (CO₂) khỏi khí quyển nhằm giúp giảm thiểu tình trạng nóng lên toàn cầu.
Mặc dù các công nghệ đầy hứa hẹn để thu giữ không khí trực tiếp (DAC) đã xuất hiện trong thập kỷ qua, nhưng chi phí vốn và năng lượng cao đã cản trở việc triển khai DAC.
Tuy nhiên, trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Energy & Environmental Science, nhóm nghiên cứu đã chứng minh các kỹ thuật thu giữ CO₂ hiệu quả hơn và tiết kiệm hơn bằng cách sử dụng không khí cực lạnh và vật liệu hấp thụ xốp có sẵn rộng rãi, mở rộng các cơ hội triển khai DAC trong tương lai.
Khai thác năng lượng hiện có
Nhóm nghiên cứu—bao gồm các thành viên từ Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge ở Tennessee và Đại học quốc gia Jeonbuk và Đại học quốc gia Chonnam ở Hàn Quốc—đã sử dụng một phương pháp kết hợp DAC với quá trình tái khí hóa khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG), một quy trình công nghiệp phổ biến tạo ra nhiệt độ cực lạnh.
LNG, là khí thiên nhiên được làm lạnh thành chất lỏng để vận chuyển, phải được làm nóng trở lại thành khí trước khi sử dụng. Quá trình làm nóng đó thường sử dụng nước biển làm nguồn nhiệt và về cơ bản là lãng phí năng lượng nhiệt độ thấp có trong khí thiên nhiên hóa lỏng.
Thay vào đó, bằng cách sử dụng năng lượng lạnh từ LNG để làm lạnh không khí, các nhà nghiên cứu của Georgia Tech đã tạo ra một môi trường vượt trội để thu giữ CO₂ bằng các vật liệu được gọi là "chất hấp thụ vật lý", là chất rắn xốp hấp thụ khí.
Hầu hết các hệ thống DAC đang sử dụng hiện nay đều sử dụng vật liệu gốc amin liên kết hóa học CO2 từ không khí, nhưng chúng cung cấp không gian lỗ tương đối hạn chế để thu giữ, phân hủy theo thời gian và cần nhiều năng lượng để hoạt động hiệu quả. Tuy nhiên, chất hấp thụ vật lý có tuổi thọ dài hơn và hấp thụ CO₂ nhanh hơn nhưng thường gặp khó khăn trong điều kiện ấm, ẩm.
Nghiên cứu cho thấy khi không khí được làm lạnh đến nhiệt độ gần nhiệt độ cực thấp để DAC, hầu như toàn bộ hơi nước sẽ ngưng tụ ra khỏi không khí. Điều này cho phép chất hấp thụ vật lý đạt được hiệu suất thu giữ CO₂ cao hơn mà không cần các bước loại bỏ nước tốn kém.
"Đây là một bước tiến thú vị", Giáo sư Ryan Lively của ChBE@GT cho biết. "Chúng tôi đang chứng minh rằng bạn có thể thu giữ carbon với chi phí thấp bằng cách sử dụng cơ sở hạ tầng hiện có và vật liệu an toàn, chi phí thấp".
Nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Seo-Yul Kim và Giáo sư Ryan Lively. Tín dụng: Viện Công nghệ Georgia
Tiết kiệm chi phí và năng lượng
Mô hình kinh tế do nhóm của Lively thực hiện cho thấy việc tích hợp phương pháp tiếp cận dựa trên LNG này vào DAC có thể giảm chi phí thu giữ một tấn CO₂ xuống mức thấp nhất là 70 đô la, giảm khoảng ba lần so với các phương pháp DAC hiện tại, thường vượt quá 200 đô la một tấn.
Thông qua các mô phỏng và thí nghiệm, nhóm đã xác định Zeolite 13X và CALF-20 là chất hấp thụ vật lý hàng đầu cho quy trình DAC này. Zeolite 13X là vật liệu hút ẩm rẻ tiền và bền được sử dụng trong xử lý nước, trong khi CALF-20 là khung kim loại hữu cơ (MOF) được biết đến với tính ổn định và hiệu suất thu giữ CO2 từ khí thải, nhưng không phải từ không khí.
Các vật liệu này cho thấy khả năng hấp phụ CO₂ mạnh ở -78°C (nhiệt độ đại diện cho hệ thống LNG-DAC) với khả năng cao hơn khoảng ba lần so với khả năng tìm thấy trong các vật liệu amin hoạt động ở điều kiện môi trường xung quanh. Họ cũng giải phóng CO₂ đã thu giữ và tinh khiết với năng lượng đầu vào thấp, khiến chúng trở nên hấp dẫn để sử dụng thực tế.
"Ngoài khả năng CO2 cao, cả hai chất hấp thụ vật lý đều thể hiện các đặc điểm quan trọng như nhiệt giải hấp thấp, hiệu quả về chi phí, khả năng mở rộng và độ ổn định lâu dài, tất cả đều cần thiết cho các ứng dụng trong thế giới thực", tác giả chính Seo-Yul Kim, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Lively cho biết.
Tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có
Nghiên cứu này cũng giải quyết một mối quan tâm chính đối với DAC: vị trí. Các hệ thống truyền thống thường phù hợp nhất với môi trường khô, mát. Nhưng bằng cách tận dụng cơ sở hạ tầng LNG hiện có, DAC gần như đông lạnh có thể được triển khai ở các vùng ven biển ôn đới và thậm chí ẩm ướt, mở rộng đáng kể phạm vi địa lý của việc loại bỏ carbon.
"Các hệ thống tái khí hóa LNG hiện là nguồn năng lượng lạnh chưa được khai thác, với các thiết bị đầu cuối hoạt động ở quy mô lớn tại các vùng ven biển trên khắp thế giới", Lively cho biết. "Bằng cách khai thác ngay cả một phần năng lượng lạnh của chúng, chúng ta có khả năng thu được hơn 100 triệu tấn CO₂ mỗi năm vào năm 2050."
Khi các chính phủ và ngành công nghiệp phải đối mặt với áp lực ngày càng tăng để đạt được mục tiêu phát thải ròng bằng không, các giải pháp như DAC gần như đông lạnh kết hợp với LNG mang lại một con đường đầy hứa hẹn. Các bước tiếp theo của nhóm bao gồm tiếp tục tinh chỉnh vật liệu và thiết kế hệ thống để đảm bảo hiệu suất và độ bền ở quy mô lớn hơn.
"Đây là một ví dụ thú vị về cách
