Vật liệu mới hấp phụ khí CO2 dễ dàng

(khoahoc.tv) - Một tấm plastic giống như miếng xốp hút khí thải nhà kính carbon dioxit (CO₂) có thể dễ dàng chuyển đổi dạng nhiên liệu hóa thạch ô nhiễm này thành các nguồn năng lượng mới, ví dụ như hydro. Vật liệu này – giống một dạng plastic được dùng để gói thực phẩm – có thể đóng một vai trò quan trọng trong kế hoạch nhằm cắt giảm phát thải khí CO₂ của tổng thống Obama xuống 30% vào năm 2030, và cũng có thể được tích hợp vào các ống khói trong tương lai.

Báo cáo về vật liệu này là một trong số gần 12.000 bài thuyết trình tại Hội nghị và triển lãm quốc gia của Hiệp hội hóa học Mỹ (National Meeting & Exposition of the American Chemical Society (ACS), tổ chức khoa học lớn nhất thế giới, sẽ được tổ chức tại Mỹ vào thứ Năm.

“Điểm mấu chốt đó là loại polyme này ổn định, rẻ tiền, và nó hút CO₂ rất tốt. Nó phù hợp với chức năng trong một môi trường thực tế”, tiến sĩ Andrew Cooper nói. “Trong viễn cảnh tương lai khi công nghệ pin nhiên liệu được sử dụng, vật liệu hấp phụ này có thể hoạt động đối với công nghệ không phát thải”.

Vật liệu hút khí CO₂ được sử dụng phổ biến để loại bỏ loại khí ô nhiễm nhà kính này ra khỏi khói thải tại các nhà máy nhiệt điện, nơi mà các nhiên liệu hóa thạch như than đá hoặc khí gas được đốt cháy. Tuy nhiên, Cooper và các đồng nghiệp của ông muốn vật liệu hấp phụ, một polyme hữu cơ màng ngăn ion, cho một ứng dụng khác – có thể dẫn tới giảm thiểu ô nhiễm.

Loại vật liệu mới này sẽ là một phần của công nghệ tích hợp gọi là chu trình hỗn hợp khí hóa tích hợp (gasification combined cycle - IGCC), có thể chuyển hóa nhiên liệu hóa thạch thành khí hydro. Hydro hứa hẹn cho việc sử dụng trong các xe chạy bằng pin nhiên liệu và sản xuất điện năng vì nó gần như không phát sinh ô nhiễm. IGCC là một công nghệ chuyển tiếp nhằm bắt đầu nền kinh tế hydro, hoặc sự chuyển hướng sang nhiên liệu hydro, trong khi vẫn sử dụng các cơ sở hạ tầng nhiên liệu hóa thạch hiện có. Tuy nhiên quá trình xử lý IGCC tạo ra một hỗn hợp của hydro và khí CO₂, cần phải được tách riêng.

Tiến sĩ Cooper tại trường Đại học Liverpool cho biết, loại vật liệu này hoạt động tốt nhất dưới điều kiện áp suất cao với quá trình IGCC. Giống như một miếng mút trong bếp nhà bạn phình ra khi nó hút nước, vật liệu này cũng phình ra một cách từ từ khi nó hút khí CO₂ và các khoảng trống nhỏ tí xíu nằm giữa các phân tử của nó. Ông giải thích, khi áp suất giảm xuống, chất hấp phụ xẹp hơi và thải ra khí CO₂ mà họ có thể thu giữ lại hoặc chuyển hóa thành các hợp chất carbon có ích.

Vật liệu này là một loại bột giống cát, có màu nâu, được tạo ra bằng cách gắn kết nhiều phân tử gốc carbon nhỏ bé thành một mạng lưới. Cooper giải thích rằng, ý tưởng sử dụng cấu trúc này có cảm hứng từ polystyrene, một chất dẻo được sử dụng trong xốp và các vật liệu đóng gói khác. Polystyrene có thể hấp phụ một lượng nhỏ CO₂ bởi cùng hoạt động nở phồng như vậy.

Một lợi thế của việc sử dụng các polyme đó là chúng có xu hướng rất ổn định. Các vận liệu thậm chí có thể chịu được trong axit sôi, chứng minh các polyme này sẽ chịu được điều kiện khắc nghiệt trong các nhà máy điện để hấp phụ khí CO₂. Các thiết bị khử CO₂ khác dù được làm từ nhựa hoặc kim loại hoặc ở dạng lỏng thường không chịu đựng tốt, Cooper cho biết. Một ưu điểm khác của chất hấp phụ mới là khả năng hấp phụ CO₂ mà không nhận hơi nước đi kèm, hơi nước có thể làm tắc nghẽn các vật liệu khác và làm chúng hoạt động kém hiệu quả hơn. Giá thành thấp cũng làm polyme xốp này hấp dẫn hơn. “So sánh với nhiều vật liệu hấp phụ khác, những vật liệu này là rẻ tiền hơn nhiều”, Cooper cho biết, vì hầu hết các phân tử carbon được dùng để tạo ra những vật liệu hấp phụ này không đắt đỏ. “Và về nguyên tắc, các vật liệu này có thể được tái sử dụng và có tuổi thọ cao vì chúng rất bền”.

Cooper cũng sẽ mô tả cách tích hợp để những polymer màng ngăn ion của ông có thể dùng được trong ống khói và các dòng thải khác. Ông cho biết tương đối dễ để đưa các polyne xốp vào thành các loại màng lọc để loại bỏ CO₂ ra khỏi khí thải của các nhà máy điện. Kết hợp hai loại hệ thống lọc khí thải có thể làm cho các chất hấp phụ hoạt động hiệu quả hơn nhiều bằng cách khai thác những thế mạnh của mỗi chất hấp phụ.

Nghiên cứu được tài trợ bởi Cộng đồng nghiên cứu khoa học vật lý và kĩ thuật (Engineering and Physical Sciences Research Council) và tổ chức E.ON Energy.