Nếu như các hệ thống thu giữ carbon khác hoạt động trong phòng thí nghiệm với CO2 tinh khiết từ bể điều áp, thì chiếc lá nhân tạo của các kỹ sư đại học Illinois Chicago hoạt động trong thế giới thực. Nó thu giữ CO2 từ các nguồn CO2 loãng hơn như không khí, khí thải được sản xuất bởi các nhà máy nhiệt điện than và thải ra ngoài để làm nhiên liệu và các vật liệu khác.
Lá này thu giữ CO2 từ các nguồn CO2 loãng hơn như không khí, khí thải... (Ảnh: Meenesh Singh)
"Hệ thống lá nhân tạo của chúng tôi có thể được triển khai bên ngoài phòng thí nghiệm, nơi nó có khả năng đóng vai trò đáng kể trong việc giảm khí nhà kính trong khí quyển nhờ tỷ lệ thu giữ carbon cao, chi phí tương đối thấp và năng lượng vừa phải so với cả những hệ thống tốt nhất trong phòng thí nghiệm", Meenesh Singh, trợ lý giáo sư khoa kỹ nghệ hóa học tại trường kỹ sư đại học Illinois Chicago (UIC), tác giả thứ hai của nghiên cứu, cho biết.
Sử dụng một khái niệm lý thuyết được nghiên cứu trước đó, các nhà khoa học đã sửa đổi một hệ thống lá nhân tạo tiêu chuẩn bằng các vật liệu rẻ tiền, bao gồm một gradient nước có một mặt khô và một mặt ướt xuyên qua một màng tích điện.
Trên mặt khô, một dung môi hữu cơ gắn vào CO2 có sẵn sẽ tạo ra bicarbonate soda (NaHCO3, còn gọi là baking soda) trên màng. Khi bicarbonate hình thành, các ion điện tích âm này sẽ bị kéo qua màng về phía điện cực tích điện dương trong dung dịch nước ở mặt ướt của màng. Dung dịch lỏng sẽ hòa tan bicarbonate trở lại thành CO2, vì vậy nó có thể được giải phóng và khai thác để làm nhiên liệu hoặc các mục đích sử dụng khác. Điện được sử dụng để tăng tốc độ truyền bicarbonate qua màng.
Hệ thống lá nhân tạo thu khí CO2 gồm hai mặt ướt và khô của các nhà khoa học UIC. Màu đỏ là các nguyên tử carbon, màu xanh dương là oxy, màu trắng là hydro (Ảnh: UIC)
Hệ thống lá nhân tạo được thiết kế nhỏ đến mức bạn có thể bỏ nó vào ba lô. Khi kiểm tra hệ thống, các nhà khoa học của UIC nhận thấy rằng nó có thông lượng rất cao. Tốc độ thu giữ carbon so với diện tích bề mặt yêu cầu của các phản ứng là 3,3 milimol/4cm2 trong một giờ. Chỉ số này cao hơn 100 lần so với các hệ thống khác, dù chỉ cần một lượng điện vừa phải (0,4 KJ/giờ) để cung cấp năng lượng cho phản ứng, ít hơn cả năng lượng để chạy bóng đèn LED 1 watt. Theo tính toán, chi phí cho mỗi tấn CO2 là 145 đô la Mỹ, tuân thủ khuyến nghị của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ là chi phí không được vượt quá 200 đô la mỗi tấn.
"Điều đặc biệt thú vị là, ứng dụng trong thế giới thực của lá nhân tạo chạy bằng điện thẩm tách có thông lượng cao với diện tích bề mặt mô-đun nhỏ. Điều này có nghĩa chúng ta có thể xếp chồng các lá lên nhau, thêm hoặc bớt số lượng mô-đun để đáp ứng tốt hơn nhu cầu và được sử dụng một cách hợp lý trong gia đình và lớp học chứ không chỉ trong các tổ chức công nghiệp có lợi nhuận. Một mô-đun lá nhân tạo nhỏ cỡ máy làm ẩm gia đình có thể loại bỏ hơn 1kg CO2 mỗi ngày và 4 ngăn xếp thẩm tách điện công nghiệp có thể thu được hơn 300kg CO2 mỗi giờ từ khí thải", Singh chia sẻ.
Điện thẩm tách (tiếng Anh electrodialysis, ED) là quá trình cho dòng điện đi qua màng thẩm thấu để tách các phân tử trong một dung dịch. Điện thẩm tách thường được dùng để khử muối trong nước mặn hoặc nước lợ.
Thiết kế lá nhân tạo và kết quả thí nghiệm của các nhà khoa học UIC vừa được công bố trên tập san khoa học quốc tế Energy & Environmental Science (Khoa học Môi trường và Năng lượng) số tháng 1 năm nay (2022).