Đại học Northwestern đã phát triển công nghệ "xoay chuyển độ ẩm" để thu giữ carbon trong không khí trực tiếp (DAC), sử dụng một loạt ion để thu giữ carbon dioxide ở độ ẩm thấp và giải phóng carbon dioxide ở độ ẩm cao. Nghiên cứu này nâng cao hiểu biết về DAC và cung cấp phương pháp thu giữ carbon tiết kiệm năng lượng hơn so với các công nghệ truyền thống.
Khi xã hội toàn cầu dần dần khử cacbon trong sản xuất công nghiệp, điều cần thiết không chỉ là ngăn chặn việc tạo ra cacbon mới trong khí quyển mà còn phải chiết xuất cacbon đioxit đã tồn tại.
Thu hồi carbon truyền thống tập trung vào việc thu thập carbon dioxide từ điểm phát thải trong quy trình chứa nhiều carbon, trong khi Thu giữ khí trực tiếp (DAC) chiết xuất carbon trong điều kiện khí quyển bình thường. Cách tiếp cận này ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu, đặc biệt khi sự phụ thuộc của chúng ta vào nhiên liệu hóa thạch giảm đi và nhu cầu thu giữ carbon tại nguồn giảm đi. Sử dụng công nghệ độ ẩm, các nhà khoa học đã phát hiện ra một số ion mới góp phần cô lập carbon năng lượng thấp.
Nghiên cứu mới của Đại học Northwestern ở Hoa Kỳ chứng minh một phương pháp mới để thu giữ carbon từ điều kiện môi trường xung quanh. Phương pháp này nghiên cứu mối quan hệ giữa nước và carbon dioxide trong hệ thống, cung cấp tài liệu tham khảo cho công nghệ "chuyển đổi độ ẩm", thu giữ carbon dioxide khi độ ẩm thấp và giải phóng carbon dioxide khi độ ẩm cao. Phương pháp này kết hợp các phương pháp động học tiên tiến với nhiều loại ion khác nhau để loại bỏ carbon khỏi hầu hết mọi nơi.
Nghiên cứu này gần đây đã được công bố trên tạp chí Khoa học và Công nghệ Môi trường.
Vinayak P. Dravid của Đại học Northwestern và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: "Chúng tôi không chỉ mở rộng và tối ưu hóa việc lựa chọn các ion giữ carbon, mà còn giúp tiết lộ các nguyên tắc cơ bản của các tương tác phức tạp trên bề mặt chất lỏng. Công trình này nâng cao hiểu biết chung của chúng tôi về DAC. Dữ liệu và phân tích của chúng tôi cung cấp động lực mạnh mẽ cho các nhà lý thuyết và nhà thực nghiệm để cải thiện hơn nữa khả năng thu giữ carbon trong thế giới thực." điều kiện."
Dravid là Giáo sư Abraham Harris tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Trường Kỹ thuật McCormick của Đại học Northwestern và là giám đốc Sáng kiến Toàn cầu tại Viện Công nghệ Nano Quốc tế. Các nghiên cứu sinh tiến sĩ John Hegarty và Benjamin Shindel là đồng tác giả đầu tiên của bài báo.
Sindel cho biết ý tưởng đằng sau bài báo xuất phát từ mong muốn sử dụng các điều kiện môi trường để thúc đẩy các phản ứng. "Chúng tôi thích thu giữ carbon bằng con lắc ướt vì nó không tốn chi phí năng lượng rõ ràng. Mặc dù việc làm ẩm một lượng không khí nhất định cần một lượng năng lượng nhất định, nhưng lý tưởng nhất là bạn có được độ ẩm 'miễn phí' và dựa vào nguồn dự trữ không khí khô và ướt tự nhiên gần môi trường."
Nhóm nghiên cứu cũng mở rộng số lượng ion được sử dụng để tạo ra phản ứng.
John Hegarty cho biết: "Chúng tôi không chỉ tăng gấp đôi số lượng ion cho phép thu giữ carbon ở độ ẩm lý tưởng mà còn tìm ra hệ thống có hiệu suất cao nhất cho đến nay."
Trong những năm gần đây, công nghệ chụp ảnh độ ẩm đã bắt đầu phát triển. Các phương pháp thu giữ carbon truyền thống sử dụng chất hấp phụ để thu giữ carbon dioxide tại vị trí nguồn và sau đó sử dụng nhiệt hoặc chân không được tạo ra để giải phóng carbon dioxide khỏi chất hấp phụ. Chi phí năng lượng của phương pháp này là cao.
Các phương pháp thu hồi carbon truyền thống sẽ giữ lại carbon dioxide, điều đó có nghĩa là cần rất nhiều năng lượng để giải phóng và tái sử dụng nó. Cách tiếp cận này cũng không hiệu quả ở mọi nơi. Ví dụ, các nhà sản xuất nông nghiệp, bê tông và thép là những nguồn phát thải chính, nhưng dấu chân lớn của họ khiến việc thu giữ carbon từ một nguồn duy nhất là không thể. Các nước giàu hơn nên cố gắng giảm lượng khí thải xuống dưới 0, trong khi các nước đang phát triển có nền kinh tế dựa vào carbon nhiều hơn nên giảm sản xuất carbon dioxide.
Omar Farha, một tác giả và giáo sư hóa học cao cấp khác, có nhiều kinh nghiệm khám phá vai trò của cấu trúc khung oxit kim loại (MOF) trong nhiều ứng dụng, bao gồm cả việc thu giữ và lưu trữ carbon dioxide.
"DAC là một vấn đề phức tạp, nhiều mặt, đòi hỏi cách tiếp cận liên ngành," Farha nói. "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 được đề xuất nào cũng phải tính đến những quan sát phức tạp này."
Các nhà nghiên cứu trước đây đã tập trung vào các ion cacbonat và photphat để thúc đẩy bẫy chuyển động của hơi ẩm và đã phát triển các giả thuyết cụ thể về lý do tại sao các ion cụ thể này lại hiệu quả. Nhưng nhóm của Dravid hy vọng có thể thử nghiệm nhiều loại ion hơn để xem loại ion nào hoạt động tốt nhất. Nhìn chung, họ phát hiện ra rằng các ion có trạng thái hóa trị cao nhất—chủ yếu là phốt phát—là hiệu quả nhất, vì vậy họ bắt đầu tìm kiếm các ion đa hóa trị, loại trừ một số và tìm thấy các ion mới có hiệu quả cho ứng dụng này, bao gồm silicat và borat.
Nhóm nghiên cứu tin rằng các thí nghiệm trong tương lai kết hợp với mô hình tính toán sẽ giúp giải thích rõ hơn lý do tại sao một số ion lại hiệu quả hơn các ion khác.
Đã có các công ty đang nỗ lực thương mại hóa việc thu hồi carbon trực tiếp trong không khí, sử dụng tín dụng carbon để khuyến khích các công ty bù đắp lượng khí thải. Nhiều công ty đang thu giữ lượng carbon đã được thu giữ thông qua các hoạt động như thay đổi tập quán nông nghiệp, trong khi phương pháp này rõ ràng có thể cô lập carbon dioxide trực tiếp từ khí quyển, sau đó tập trung và cuối cùng là lưu trữ hoặc tái sử dụng.
Nhóm của Dravid có kế hoạch kết hợp vật liệu thu giữ carbon dioxide này với nền xốp xốp mà họ đã phát triển trước đó để loại bỏ các độc tố môi trường bao gồm dầu, phốt phát và vi hạt nhựa.