Quy trình mới giúp các loại đá thông thường giữ lại carbon nhanh chóng và rẻ tiền
bởi Đại học Stanford
Phong hóa olivine aérolie tự nhiên. Tín dụng: Renhour48 qua Wikimedia
Các nhà hóa học của Đại học Stanford đã phát triển một phương pháp thực tế, ít tốn kém để loại bỏ vĩnh viễn carbon dioxide trong khí quyển, tác nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu.
Quy trình mới sử dụng nhiệt để biến đổi các khoáng chất thông thường thành vật liệu tự động hút carbon từ khí quyển và cô lập vĩnh viễn. Những vật liệu phản ứng này có thể được sản xuất trong các lò nung thông thường, giống như những lò nung được sử dụng để sản xuất xi măng.
"Trái đất có nguồn cung cấp khoáng chất vô tận có khả năng loại bỏ CO2 khỏi khí quyển, nhưng chúng không tự phản ứng đủ nhanh để chống lại khí thải nhà kính của con người", Matthew Kanan, giáo sư hóa học tại Trường Khoa học và Nhân văn Stanford và là tác giả chính của nghiên cứu trên tạp chí Nature, cho biết. "Công trình của chúng tôi giải quyết vấn đề này theo cách mà chúng tôi cho là có khả năng mở rộng quy mô độc đáo".
Phong hóa tăng cường
Trong tự nhiên, các khoáng chất phổ biến gọi là silicat phản ứng với nước và CO2 trong khí quyển để tạo thành các ion bicacbonat ổn định và khoáng chất cacbonat rắn—một quá trình được gọi là phong hóa. Tuy nhiên, phản ứng này có thể mất hàng trăm đến hàng nghìn năm để hoàn thành. Từ những năm 1990, các nhà khoa học đã tìm kiếm những cách để làm cho đá hấp thụ carbon dioxide nhanh hơn thông qua các kỹ thuật phong hóa tăng cường.
Kanan và học giả sau tiến sĩ Yuxuan Chen của Stanford đã phát triển và chứng minh trong phòng thí nghiệm của họ một quy trình mới để chuyển đổi silicat phong hóa chậm thành các khoáng chất phản ứng mạnh hơn nhiều, có khả năng thu giữ và lưu trữ carbon trong khí quyển một cách nhanh chóng.
"Chúng tôi hình dung ra một loại hóa học mới để kích hoạt các khoáng chất silicat trơ thông qua phản ứng trao đổi ion đơn giản", Chen, tác giả chính của nghiên cứu, người đã phát triển kỹ thuật này trong khi lấy bằng tiến sĩ hóa học tại phòng thí nghiệm của Kanan, cho biết. "Chúng tôi không ngờ rằng nó lại hiệu quả như vậy".
Nhiều chuyên gia cho rằng việc ngăn chặn tình trạng nóng lên toàn cầu thêm nữa sẽ đòi hỏi phải cắt giảm việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch và loại bỏ vĩnh viễn hàng tỷ tấn CO2 khỏi khí quyển. Nhưng các công nghệ loại bỏ carbon vẫn tốn kém, tiêu tốn nhiều năng lượng hoặc cả hai—và chưa được chứng minh ở quy mô lớn. Một trong những công nghệ đang nhận được nhiều sự quan tâm và thậm chí là đầu tư giai đoạn đầu gần đây là thu giữ không khí trực tiếp, sử dụng các tấm quạt lớn để dẫn không khí xung quanh qua các quy trình hóa học hoặc các quy trình khác để loại bỏ CO2.
"Quy trình của chúng tôi sẽ chỉ cần ít hơn một nửa năng lượng được sử dụng bởi các công nghệ thu giữ không khí trực tiếp hàng đầu và chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi có thể rất cạnh tranh về mặt chi phí", Kanan, cũng là thành viên cấp cao tại Viện Năng lượng Precourt thuộc Trường Phát triển Bền vững Doerr của Đại học Stanford, cho biết.
Học giả sau tiến sĩ Yuxuan Chen, bên trái, đang cầm một số vật liệu giữ carbon dioxide cùng Matt Kanan trong phòng thí nghiệm của họ. Tín dụng: Bill Rivard/Viện Năng lượng Precourt
Cacbonat hóa tự phát
Phương pháp tiếp cận mới này được lấy cảm hứng từ một kỹ thuật sản xuất xi măng đã có từ nhiều thế kỷ trước.
Sản xuất xi măng bắt đầu bằng cách chuyển đá vôi thành canxi oxit trong lò nung được nung nóng đến khoảng 1.400 độ C. Sau đó, canxi oxit được trộn với cát để tạo ra một thành phần chính trong xi măng.
Nhóm nghiên cứu Stanford đã sử dụng một quy trình tương tự trong lò nung trong phòng thí nghiệm của họ, nhưng thay vì cát, họ kết hợp canxi oxit với một khoáng chất khác chứa các ion magiê và silicat. Khi được đun nóng, hai khoáng chất này trao đổi ion và chuyển thành magiê oxit và canxi silicat—hai khoáng chất kiềm phản ứng nhanh với CO2 có tính axit trong không khí.
Kanan cho biết "Quy trình này hoạt động như một hệ số nhân". "Bạn lấy một khoáng chất phản ứng, canxi oxit và một magiê silicat ít nhiều trơ, và bạn tạo ra hai khoáng chất phản ứng".
Để thử nghiệm nhanh khả năng phản ứng ở nhiệt độ phòng, canxi silicat và magiê oxit đã được tiếp xúc với nước và CO2 tinh khiết. Trong vòng hai giờ, cả hai vật liệu đã chuyển đổi hoàn toàn thành khoáng chất cacbonat mới với carbon từ CO2 bị giữ lại bên trong.
Để có một thử nghiệm thực tế hơn, các mẫu canxi silicat và magiê oxit ướt đã được tiếp xúc trực tiếp với không khí, nơi có nồng độ CO2 thấp hơn nhiều so với CO2 tinh khiết từ một bể chứa. Trong thí nghiệm này, quá trình cacbonat hóa mất nhiều tuần đến nhiều tháng để diễn ra, vẫn nhanh hơn hàng nghìn lần so với quá trình phong hóa tự nhiên.
Nhóm nghiên cứu Stanford cho biết phương pháp của họ có thể được sử dụng ngoài phòng thí nghiệm để thu giữ CO2 ở quy mô công nghiệp.
"Bạn có thể tưởng tượng việc rải magiê oxit và canxi silicat trên các vùng đất rộng lớn để loại bỏ CO2 khỏi không khí xung quanh", Kanan cho biết. "Một ứng dụng thú vị mà chúng tôi đang thử nghiệm hiện nay là thêm chúng vào đất nông nghiệp. Khi chúng bị phong hóa, các khoáng chất chuyển thành bicarbonate có thể di chuyển qua đất và cuối cùng được lưu trữ vĩnh viễn trong đại dương".
Kanan cho biết phương pháp này có thể mang lại lợi ích chung cho nông dân, những người thường thêm canxi cacbonat vào đất để tăng độ pH nếu độ pH quá thấp—một quá trình gọi là bón vôi.
"Việc bổ sung sản phẩm của chúng tôi sẽ loại bỏ nhu cầu bón vôi, vì cả hai
thành phần khoáng chất có tính kiềm", ông giải thích. "Ngoài ra, khi canxi silicat bị phong hóa, nó giải phóng silic vào đất dưới dạng mà cây trồng có thể hấp thụ, có thể cải thiện năng suất và khả năng phục hồi của cây trồng. Lý tưởng nhất là nông dân sẽ trả tiền cho những khoáng chất này vì chúng có lợi cho năng suất nông nghiệp và sức khỏe của đất—và như một phần thưởng, có thể loại bỏ carbon."
Xây dựng tương lai
Phòng thí nghiệm của Kanan có thể sản xuất khoảng 15 kg (khoảng 33 pound) vật liệu mỗi tuần. Nhưng để giữ CO2 ở quy mô cần thiết để tác động có ý nghĩa đến nhiệt độ toàn cầu sẽ cần sản xuất hàng năm hàng triệu tấn magiê oxit và canxi silicat.
Các nhà nghiên cứu cho biết cùng một thiết kế lò nung được sử dụng để sản xuất xi măng có thể sản xuất các vật liệu cần thiết bằng cách sử dụng magiê silicat dồi dào như olivin hoặc serpentin, có ở California, Balkans và nhiều khu vực khác. Đây cũng là những vật liệu còn sót lại phổ biến—hoặc chất thải—từ khai thác mỏ.
"Mỗi năm, hơn 400 triệu tấn chất thải từ mỏ có silicat phù hợp được tạo ra trên toàn thế giới, cung cấp một nguồn nguyên liệu thô có tiềm năng lớn", Chen cho biết. "Người ta ước tính rằng có hơn 100.000 gigaton trữ lượng olivin và serpentin trên Trái đất, đủ để loại bỏ vĩnh viễn nhiều CO2 hơn lượng CO2 mà con người từng thải ra." (Một gigaton bằng 1 tỷ tấn, hay khoảng 1,1 tỷ tấn.)
Sau khi tính đến lượng khí thải liên quan đến việc đốt khí đốt tự nhiên hoặc nhiên liệu sinh học để cung cấp năng lượng cho lò nung, các nhà nghiên cứu ước tính mỗi tấn vật liệu phản ứng có thể loại bỏ một tấn carbon dioxide khỏi khí quyển. Các nhà khoa học ước tính lượng khí thải carbon dioxide toàn cầu từ nhiên liệu hóa thạch vượt quá 37 tỷ tấn vào năm 2024.
Kanan cũng đang hợp tác với Jonathan Fan, phó giáo sư kỹ thuật điện tại Khoa Kỹ thuật, để phát triển các lò nung chạy bằng điện thay vì đốt nhiên liệu hóa thạch.
"Xã hội đã tìm ra cách sản xuất hàng tỷ tấn xi măng mỗi năm và các lò nung xi măng hoạt động trong nhiều thập kỷ", Kanan cho biết. "Nếu chúng ta sử dụng những bài học và thiết kế đó, sẽ có một con đường rõ ràng để chuyển từ phát hiện trong phòng thí nghiệm sang loại bỏ carbon ở quy mô có ý nghĩa".
