Ngay cả khi thế giới bắt đầu dần dần khử cacbon trong các quy trình công nghiệp, việc đạt được nồng độ cacbon trong khí quyển thấp hơn đòi hỏi các công nghệ loại bỏ cacbon đioxit hiện có khỏi khí quyển, thay vì chỉ ngăn chặn việc tạo ra nó.
Trừu tượng đồ họa. Nguồn: Khoa học & Công nghệ Môi trường (2023). DOI: 10.1021/acs.est.3c02543
Việc thu giữ carbon điển hình là thu giữ CO 2 trực tiếp từ nguồn của quy trình sử dụng nhiều carbon. Mặt khác, thu hồi carbon xung quanh, hay "thu giữ không khí trực tiếp" (DAC), có thể loại bỏ carbon ra khỏi các điều kiện môi trường điển hình và đóng vai trò như một vũ khí trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu, đặc biệt khi sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch bắt đầu giảm và với nó, nhu cầu thu hồi carbon tại điểm nguồn.
Nghiên cứu mới của Đại học Northwestern cho thấy một cách tiếp cận mới để thu giữ carbon từ các điều kiện môi trường xung quanh, xem xét mối quan hệ giữa nước và carbon dioxide trong các hệ thống để áp dụng kỹ thuật "xoay chuyển độ ẩm", thu giữ CO 2 ở độ ẩm thấp và giải phóng nó ở nhiệt độ cao . độ ẩm. Cách tiếp cận này kết hợp các phương pháp động học tiên tiến và sự đa dạng của các ion, cho phép loại bỏ carbon từ hầu hết mọi nơi.
Nghiên cứu được công bố hôm nay (3/10) trên tạp chí Khoa học & Công nghệ Môi trường .
Vinayak P. Dravid, tác giả cấp cao của nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi không chỉ mở rộng và tối ưu hóa việc lựa chọn các ion để thu giữ carbon mà còn giúp làm sáng tỏ nền tảng cơ bản của các tương tác bề mặt chất lỏng phức tạp”. "Công việc này nâng cao sự hiểu biết chung của chúng tôi về DAC, đồng thời dữ liệu và phân tích của chúng tôi mang lại động lực mạnh mẽ cho cộng đồng, cho cả các nhà lý thuyết cũng như các nhà thực nghiệm, để cải thiện hơn nữa khả năng thu giữ carbon trong điều kiện thực tế."
Dravid là Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu Abraham Harris tại Trường Kỹ thuật McCormick của Northwestern và là giám đốc các sáng kiến toàn cầu tại Viện Công nghệ Nano Quốc tế. Bằng tiến sĩ. các sinh viên John Hegarty và Benjamin Shindel là đồng tác giả đầu tiên của bài báo.
Shindel cho biết ý tưởng đằng sau bài báo xuất phát từ mong muốn sử dụng các điều kiện môi trường xung quanh để tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng.
Shindel cho biết: “Chúng tôi thích thu hồi carbon theo độ ẩm vì nó không có chi phí năng lượng xác định”. "Mặc dù cần một lượng năng lượng nhất định để làm ẩm một lượng không khí, nhưng lý tưởng nhất là bạn có thể có được độ ẩm 'miễn phí' một cách mạnh mẽ bằng cách dựa vào môi trường có các kho chứa không khí khô và ướt tự nhiên gần nhau."
Nhóm cũng mở rộng số lượng ion được sử dụng để thực hiện phản ứng.
John Hegarty cho biết: “Chúng tôi không chỉ tăng gấp đôi số lượng ion có khả năng thu giữ carbon phụ thuộc vào độ ẩm mong muốn mà còn phát hiện ra các hệ thống có hiệu suất cao nhất”.
Trong những năm gần đây, công nghệ thu giữ độ ẩm đã phát triển. Các phương pháp thu hồi carbon truyền thống sử dụng chất hấp thụ để thu giữ CO 2 tại các vị trí nguồn, sau đó sử dụng nhiệt hoặc chân không được tạo ra để giải phóng CO 2 khỏi chất hấp thụ. Nó đi kèm với một chi phí năng lượng cao.
Hegarty cho biết : “Việc thu giữ carbon truyền thống giữ chặt CO2 , điều đó có nghĩa là cần phải có năng lượng đáng kể để giải phóng và tái sử dụng nó”.
Shindel nói, nó cũng không hoạt động ở mọi nơi. Ví dụ, các nhà sản xuất nông nghiệp, bê tông và thép là những tác nhân chính gây ra khí thải nhưng lại gây ra dấu chân lớn khiến không thể thu giữ carbon tại một nguồn duy nhất.
Shindel nói thêm rằng các quốc gia giàu có hơn nên cố gắng giảm lượng khí thải xuống dưới 0 khi các nước đang phát triển, vốn phụ thuộc nhiều hơn vào nền kinh tế carbon, giảm sản lượng CO2 .
Một tác giả cấp cao khác, giáo sư hóa học Omar Farha, có kinh nghiệm khám phá vai trò của cấu trúc khung oxit kim loại (MOF) cho các ứng dụng đa dạng, bao gồm thu giữ và cô lập CO 2 .
Farha nói: “DAC là một vấn đề phức tạp và nhiều mặt, đòi hỏi cách tiếp cận liên ngành. "Điều tôi đánh giá cao ở công trình này là các phép đo chi tiết và cẩn thận về các thông số phức tạp. Bất kỳ cơ chế nào được đề xuất đều phải giải thích được những quan sát phức tạp này."
Các nhà nghiên cứu trước đây đã tập trung vào các ion cacbonat và phốt phát để tạo điều kiện cho việc thu giữ độ ẩm và đưa ra các giả thuyết cụ thể liên quan đến lý do tại sao các ion cụ thể này lại có hiệu quả. Nhưng nhóm của Dravid muốn thử nghiệm nhiều loại ion hơn để xem loại nào hiệu quả nhất. Nhìn chung, họ nhận thấy các ion có hóa trị cao nhất—chủ yếu là phốt phát—là hiệu quả nhất và họ bắt đầu liệt kê danh sách các ion hóa trị nhiều, loại trừ một số, cũng như tìm ra các ion mới hoạt động cho ứng dụng này, bao gồm silicat và borat.
Nhóm nghiên cứu tin rằng các thí nghiệm trong tương lai, cùng với mô hình tính toán, sẽ giúp giải thích rõ hơn tại sao một số ion lại hiệu quả hơn các ion khác.
Hiện đã có các công ty đang nỗ lực thương mại hóa việc thu hồi carbon không khí trực tiếp, sử dụng tín dụng carbon để khuyến khích các công ty bù đắp lượng khí thải của họ. Nhiều người đang thu giữ carbon mà lẽ ra đã được thu giữ thông qua các hoạt động như thực hành nông nghiệp sửa đổi, trong khi phương pháp này rõ ràng cô lập CO 2 trực tiếp từ khí quyển, nơi nó có thể được tập trung và cuối cùng được lưu trữ hoặc tái sử dụng.
Nhóm của Dravid có kế hoạch tích hợp các vật liệu thu giữ CO2 như vậy với nền xốp xốp trước đây của họ, nền tảng này đã được phát triển để loại bỏ các chất độc môi trường bao gồm dầu, phốt phát và hạt vi nhựa.
