Trong bối cảnh toàn cầu đang nỗ lực hạn chế phát thải khí nhà kính, các nhà khoa học của MIT đang tập trung vào công nghệ thu hồi carbon để khử cacbonat cho những loại khí thải công nghiệp thách thức nhất. Những phát hiện này, dựa trên một quy trình điện hóa duy nhất, có thể giúp giảm lượng khí thải từ các ngành công nghiệp khó khử cacbon nhất, chẳng hạn như thép và xi măng.

Các nhà nghiên cứu tiết lộ cách thu giữ và chuyển đổi carbon dioxide thông qua một quá trình điện hóa duy nhất. Trong quá trình này, các điện cực (giống như điện cực được phủ bong bóng trong hình) được sử dụng để hấp thụ carbon dioxide thoát ra từ chất hấp phụ và chuyển nó thành sản phẩm trung hòa carbon. Tín dụng hình ảnh: John Freidah/MITMechE

Các ngành công nghiệp như sản xuất thép, xi măng và hóa chất đặc biệt khó khử cacbon do việc sử dụng cacbon và nhiên liệu hóa thạch vốn có trong quy trình sản xuất của chúng. Nếu công nghệ có thể được phát triển để thu giữ lượng khí thải carbon và tái sử dụng chúng trong quá trình sản xuất, thì có thể giảm đáng kể lượng khí thải từ các ngành công nghiệp “khó giảm bớt” này.

Tuy nhiên, các công nghệ thử nghiệm hiện nay để thu giữ và chuyển đổi carbon dioxide là hai quá trình riêng biệt và bản thân chúng đòi hỏi lượng năng lượng lớn để hoạt động. Nhóm nghiên cứu của MIT hy vọng có thể kết hợp hai quá trình này thành một hệ thống tích hợp, tiết kiệm năng lượng hơn nhiều, có khả năng sử dụng năng lượng tái tạo để thu giữ và chuyển đổi carbon dioxide từ các nguồn tài nguyên công nghiệp tập trung.

Kết quả nghiên cứu mới nhất về thu giữ và chuyển đổi carbon

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí "ACSCatalysis" vào ngày 5 tháng 9, các nhà nghiên cứu đã tiết lộ những khả năng tiềm ẩn về cách thu giữ và chuyển đổi carbon dioxide thông qua một quá trình điện hóa duy nhất. Quá trình này bao gồm việc sử dụng các điện cực để hấp thụ carbon dioxide được giải phóng từ chất hấp phụ và chuyển nó thành dạng khử, có thể tái sử dụng.

Những người khác đã báo cáo các minh chứng tương tự, nhưng cơ chế thúc đẩy phản ứng điện hóa vẫn chưa rõ ràng. Nhóm MIT đã tiến hành nhiều thí nghiệm để xác định trình điều khiển này và nhận thấy rằng cuối cùng, nó phụ thuộc vào áp suất riêng phần của carbon dioxide. Nói cách khác, carbon dioxide tiếp xúc với điện cực càng tinh khiết thì điện cực có thể thu giữ và chuyển đổi các phân tử carbon dioxide càng hiệu quả.

Hiểu được động lực chính hay "các loài hoạt động" này có thể giúp các nhà khoa học điều chỉnh và tối ưu hóa các hệ thống điện hóa tương tự để thu giữ và chuyển đổi carbon dioxide một cách hiệu quả trong một quy trình tích hợp.

Kết quả của nghiên cứu này cho thấy rằng mặc dù các hệ thống điện hóa này có thể không phù hợp với những môi trường rất hiếm (ví dụ: thu giữ và chuyển đổi lượng khí thải cacbon trực tiếp từ không khí), nhưng chúng rất phù hợp với nồng độ khí thải cao do các quy trình công nghiệp tạo ra, đặc biệt là những môi trường không có giải pháp thay thế tái tạo rõ ràng.

“Chúng ta có thể và nên chuyển sang sử dụng năng lượng tái tạo để sản xuất điện.” Tuy nhiên, tác giả nghiên cứu Betar Gallant, Phó Giáo sư Phát triển Nghề nghiệp của MIT cho biết, việc khử cacbon sâu trong các ngành công nghiệp như sản xuất xi măng hoặc thép là một thách thức và sẽ mất nhiều thời gian hơn. thời gian. Ngay cả khi chúng ta ngừng hoạt động tất cả các nhà máy điện, chúng ta sẽ cần một số giải pháp để giải quyết lượng khí thải trong các ngành công nghiệp khác trong thời gian ngắn trước khi có thể khử cacbon hoàn toàn cho các ngành đó. Đó là nơi chúng tôi thấy một điểm tuyệt vời mà thứ như hệ thống này có thể phù hợp."

Các đồng tác giả của nghiên cứu tại MIT bao gồm tác giả chính, postdoc Graham Leverick và nghiên cứu sinh Elizabeth Bernhardt, cũng như Athea Iliani-Esse của Đại học Sunway ở Malaysia. Aisyah Illyani Ismail, Jun Hui Law, Arif Arifutzzaman và Mohamed Kheireddine Aroua.

Tìm hiểu về quy trình thu giữ carbon

Công nghệ thu giữ carbon được thiết kế để thu giữ khí thải hay "ống khói" từ ống khói của các nhà máy điện và cơ sở sản xuất. Khí thải được dẫn trực tiếp, chủ yếu thông qua các trang bị thêm lớn, vào buồng chứa dung dịch "thu giữ" (hỗn hợp các amin hoặc hợp chất amin kết hợp hóa học với carbon dioxide để tạo ra dạng ổn định có thể tách ra khỏi phần còn lại của khí thải).

Sau đó, quy trình nhiệt độ cao, thường sử dụng hơi nước tạo ra từ nhiên liệu hóa thạch, giải phóng carbon dioxide thu được từ các liên kết amin. Khí carbon dioxide tinh khiết có thể được bơm vào bể chứa hoặc dưới lòng đất, được khoáng hóa hoặc chuyển đổi tiếp thành hóa chất hoặc nhiên liệu.

"Thu giữ carbon là một công nghệ hoàn thiện và hóa học đã có tuổi đời khoảng 100 năm, nhưng nó đòi hỏi những hệ thống lắp đặt thực sự lớn và khá tốn kém cũng như tiêu tốn nhiều năng lượng để vận hành", Gallant lưu ý. "Những gì chúng ta cần là công nghệ mô-đun linh hoạt hơn, có thể chứa nhiều nguồn carbon dioxide đa dạng hơn. Hệ thống điện hóa có thể giúp giải quyết vấn đề này."

Nhóm nghiên cứu của cô tại MIT đang phát triển một hệ thống điện hóa có thể tái chế carbon dioxide thu được và chuyển đổi nó thành các sản phẩm khử, có thể sử dụng được. Bà cho biết, một hệ thống tích hợp như vậy, thay vì một hệ thống riêng biệt, có thể được cung cấp năng lượng hoàn toàn bằng năng lượng tái tạo thay vì hơi nước được tạo ra từ nhiên liệu hóa thạch.

Ý tưởng của họ tập trung vào một điện cực có thể được lắp đặt trong khoang của giải pháp thu hồi carbon hiện có. Khi đặt một điện áp vào điện cực, các electron sẽ di chuyển về phía dạng hoạt động của carbon dioxide và được chuyển đổi thành các sản phẩm sử dụng proton được cung cấp từ nước. Bằng cách này, chất hấp phụ có thể hấp thụ nhiều carbon dioxide hơn thay vì sử dụng hơi nước để hấp thụ carbon dioxide.

Gallant trước đây đã chứng minh rằng quá trình điện hóa này có thể thu giữ carbon dioxide và chuyển nó thành dạng cacbonat rắn. Bà nói: “Chúng tôi đã chứng minh từ những ý tưởng ban đầu rằng quá trình điện hóa này là có thể thực hiện được”. “Kể từ đó, đã có những nghiên cứu khác tập trung vào việc sử dụng quy trình này để cố gắng tạo ra các hóa chất và nhiên liệu hữu ích. Nhưng vẫn có những giải thích không nhất quán về cách thức hoạt động của các phản ứng này”.

Vai trò của "riêng carbon dioxide"

Trong nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu của MIT đã sử dụng kính lúp để xem xét các phản ứng cụ thể thúc đẩy các quá trình điện hóa. Trong phòng thí nghiệm, họ đã tạo ra các dung dịch amin tương tự như các dung dịch thu giữ công nghiệp dùng để tách carbon dioxide từ khí thải. Họ thay đổi một cách có phương pháp các đặc tính khác nhau của từng dung dịch, chẳng hạn như độ pH, nồng độ và loại amin, sau đó chạy từng dung dịch qua điện cực bạc, một kim loại được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu điện phân và được biết là có khả năng chuyển đổi carbon dioxide thành carbon monoxide một cách hiệu quả. Sau đó, họ đo nồng độ carbon monoxide chuyển đổi khi kết thúc phản ứng và so sánh con số đó với từng dung dịch khác mà họ đã thử nghiệm để xác định thông số nào có tác động lớn nhất đến lượng carbon monoxide được tạo ra.

Cuối cùng, họ phát hiện ra rằng điều quan trọng nhất không phải như nhiều người nghi ngờ, loại amin được sử dụng để thu giữ carbon dioxide ngay từ đầu. Đúng hơn, điều quan trọng nhất là nồng độ của các phân tử carbon dioxide trôi nổi tự do trong dung dịch để tránh liên kết với các amin. "Chỉ riêng carbon dioxide" này xác định nồng độ cuối cùng của carbon monoxide được tạo ra.

Leverick cho biết: "Chúng tôi nhận thấy rằng CO2 'riêng' này phản ứng dễ dàng hơn CO2 được thu giữ bởi các amin. Điều này cho các nhà nghiên cứu trong tương lai biết rằng quá trình này khả thi trong các dòng công nghiệp để thu giữ hiệu quả nồng độ CO2 cao và chuyển đổi nó thành hóa chất và nhiên liệu hữu ích."

Gallant nhấn mạnh: "Đây không phải là công nghệ loại bỏ, điều này quan trọng. Giá trị mà nó mang lại là cho phép chúng ta tái chế CO2 nhiều lần trong khi vẫn duy trì các quy trình công nghiệp hiện có, từ đó giảm lượng khí thải liên quan." Giải phóng. Cuối cùng, ước mơ của tôi là sử dụng các hệ thống điện hóa để thúc đẩy quá trình khoáng hóa và lưu trữ vĩnh viễn carbon dioxide, đây là một tầm nhìn dài hạn. Và rất nhiều kiến thức khoa học mà chúng ta đang bắt đầu hiểu là bước đầu tiên trong việc thiết kế các quy trình này.”