Màng lọc CO2: Ý tưởng mới cho công nghiệp giảm carbon

Màng này hoạt động như một hàng rào thấm, để cho các khí khác lưu thông qua, chỉ loại bỏ CO2.

Chúng ta đều biết hoạt động đốt nhiên liệu hóa thạch để cung cấp năng lượng cho xã hội loài người đang gây ra nhiều ảnh hưởng đến môi trường. Điều này tăng lượng khí thải nhà kính, đặc biệt là CO2, và đang làm cho Trái Đất ngày càng nóng lên.

Tuy nhiên, một nhóm nhà khoa học ở Anh đã phát triển các màng tinh thể bạc có khả năng lọc CO2 ra khỏi không khí. Ý tưởng mới là họ sẽ sử dụng màng lọc này như một chiếc lưới, bắt giữ mọi phân tử CO2 trong khí thải mà không cho chúng có cơ hội lan tràn ra môi trường.

Lượng CO2 thu được có thể được sử dụng để sản xuất nhựa, bê tông hoặc nhiên liệu sinh học. Hoặc đơn giản, các nhà khoa học có thể chôn chúng dưới đất để làm cacbonat hóa oxit kim loại có sẵn, tạo ra các mỏ đá vôi có thể lưu trữ CO2 một cách thân thiện với môi trường hơn.

Nghiên cứu mới được đăng trên tạp chí Energy & Environmental Science sử dụng một phương pháp mà các tác giả cho biết chưa ai thử trước đây. Họ đã rắc một lượng nhỏ phân tử bạc lên màng lọc và tận dụng dòng CO2 chính để kích thích tinh thể bạc phát triển trên màng.

Những nhánh tinh thể bạc này cải thiện hiệu suất lọc và giữ CO2, giúp giảm lượng kim loại quý sử dụng. Do đó, chi phí sản xuất các lưới lọc sẽ giảm, làm cho việc áp dụng ý tưởng này trong công nghiệp trở nên khả thi hơn.

'Chúng tôi không tạo ra màng lọc hoàn toàn bằng bạc', Greg Mutch, kỹ sư, tác giả nghiên cứu tại Đại học Newcastle, Vương Quốc Anh, giải thích. 'Thay vào đó, chúng tôi chỉ rải một lượng nhỏ bạc và nuôi tinh thể bên trong màng lọc, giúp tăng hiệu suất chức năng theo mong muốn của chúng tôi'.

Màng lọc CO2 hỗ trợ ý tưởng thu hồi và lưu trữ carbon (Carbon capture and storage - CCS) giúp giảm hoặc loại bỏ hoàn toàn lượng khí thải nhà kính mà chúng ta phát ra từ hoạt động công nghiệp.

Một số dự án CCS công nghiệp đã được triển khai trên toàn cầu. Ví dụ, tại Hoa Kỳ, có khoảng 5.800 km đường ống dẫn khí CO2 và ở Na Uy, có khoảng 160 km đường ống tương tự. CO2 được thu hồi ở các quốc gia này được sử dụng để bơm xuống dưới các mỏ dầu đã cạn kiệt, làm giảm độ nhớt của dầu còn lại và tận dụng chúng.

Tại Australia, ba nhà máy nhiệt điện than lớn nhất đã phát triển một quy trình thu CO2 làm nguyên liệu cho hệ thống nuôi tảo. Loại tảo này sau đó được sử dụng để sản xuất nhựa và thức ăn cho chăn nuôi.

Một hướng phát triển khác của CCS là thu hồi khí CO2, chôn chúng xuống lòng đất, nơi chứa các mỏ oxit kim loại như CaO, MgO để tạo thành cacbonat đá vôi. Ở trạng thái này, carbon sẽ được lưu trữ bền vững hơn trong lòng đất, thay vì thải vào khí quyển và gây ra hiệu ứng nhà kính.

Trong 10 năm gần đây, ngành khoa học và công nghiệp đã liên tục phát triển các phương pháp thu hồi và lưu trữ carbon. Tuy nhiên, chi phí vẫn là một rào cản lớn. Mặc dù các nhà khoa học có nhiều ý tưởng về màng lọc CO2, nhưng thường thất bại khi triển khai chúng trên quy mô công nghiệp vì chi phí quá cao.

Do đó, trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học Anh đã cố gắng tìm giải pháp. Họ nhận thấy rằng bạc khi được sử dụng trong các màng hai pha có thể cô lập và tách CO2 ra khỏi các loại khí khác. Màng này hoạt động như một hàng rào thấm, để các loại khí khác lưu thông qua, chỉ loại bỏ CO2.

Tuy nhiên, bạc là một kim loại hiếm và đắt đỏ. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã thử nghiệm một ý tưởng mới. Họ tạo ra các màng lọc ban đầu từ nhôm oxit và chỉ thêm một lượng nhỏ phân tử bạc.

Những phân tử bạc này sau đó tự động phát triển thành các mạng tinh thể dày hơn, tăng diện tích tiếp xúc với CO2 và làm tăng hiệu suất của màng lọc. Quá trình này diễn ra trong dòng khí thẩm thấu qua màng.

'Qua sự tăng trưởng không cân bằng được kiểm soát bởi các sợi nhánh Ag [bạc], từ một lượng nhỏ Ag, vật liệu màng thông lượng thấp, chi phí thấp đã được chuyển đổi thành vật liệu màng thông lượng cao, nhưng vẫn giữ chi phí thấp', các tác giả viết trong nghiên cứu.

Nói cách khác, với chi phí thấp hơn, các màng tinh thể bạc phát triển trên oxit nhôm có hiệu suất tương đương với các quy trình thu giữ CO2 hiện đang được sử dụng. 'Thực tế, hệ thống này có thể giảm kích thước thiết bị cần thiết và giảm chi phí vận hành', Mitch nói.

Việc phát triển các màng thu giữ CO2 là một phần quan trọng của mục tiêu 'Carbon neutrality', hay trạng thái trung hòa carbon. Khái niệm này được đưa ra từ năm 2006, nhằm mục đích giảm thiểu phát thải CO2 của nền công nghiệp về mức 0.

Để đạt được điều này, chúng ta cần tìm ra các biện pháp giảm thiểu phát thải khí nhà kính hoặc bù đắp phát thải bằng các biện pháp tự nhiên như trồng rừng, hoặc các biện pháp nhân tạo như sử dụng các màng thu giữ và tái sử dụng CO2.

Mục tiêu là chuyển từ một nền công nghiệp phát thải carbon cao như hiện nay, đến một nền công nghiệp có lượng phát thải carbon thấp, và cuối cùng là một nền công nghiệp hậu carbon. Đây được xem là một giải pháp bền vững cho cả môi trường và xã hội loài người trong tương lai.

Tham khảo Sciencealert