Màng lọc thu giữ khí CO2: Ý tưởng đột phá tiến tới nền công nghiệp hậu carbon

Chúng ta đều biết hoạt động đốt nhiên liệu hóa thạch để phục vụ nhu cầu năng lượng của xã hội loài người đang ảnh hưởng lớn tới môi trường. Nó làm tăng lượng khí thải nhà kính, cụ thế là CO₂, và đang khiến Trái Đất nóng lên từng ngày.

Nhưng bây giờ, một nhóm các nhà khoa học Anh tuyên bố họ đã tạo ra được các màng tinh thể bạc có thể lọc được CO₂ ra khỏi không khí. Ý tưởng đột phá là họ sẽ dùng màng lọc này như một chiếc lưới, bắt lại mọi phân tử CO₂ trong khí thải không cho chúng có cơ hội phát tán ra môi trường.

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

Màng tinh thể bạc có thể lọc được CO2 ra khỏi không khí

Nghiên cứu mới được đăng trên tạp chí Energy & Environmental Science sử dụng một kỹ thuật mà các tác giả cho rằng chưa có ai từng thử trước đây. Họ đã gieo một lượng nhỏ phân tử bạc lên màng tách khí và tận dụng chính dòng CO₂ để nuôi tinh thể bạc phát triển trên đó.

Những nhánh tinh thể bạc này làm tăng hiệu quả lọc và thu giữ CO₂, giúp tiết kiệm một lượng lớn kim loại quý. Nhờ đó, chi phí tạo ra các lưới lọc sẽ giảm, giúp ý tưởng áp dụng nó trên quy mô công nghiệp trở nên khả thi hơn.

"Chúng tôi không tạo ra một màng lọc hoàn toàn bằng bạc", Greg Mutch, kỹ sư, tác giả nghiên cứu đến từ Đại học Newcastle, Vương Quốc Anh giải thích. "Thay vào đó, chúng tôi chỉ gieo xuống một lượng nhỏ bạc và nuôi tinh thể bên trong màng lọc, giúp tăng hiệu quả chức năng mà chúng tôi mong muốn".

Màng lọc CO₂ phục vụ cho ý tưởng chúng ta có thể thu hồi và lưu trữ lại carbon (Carbon capture and storage - CCS) giúp giảm hoặc triệt tiêu hoàn toàn lượng khí thải nhà kính mà chúng ta thải vào môi trường từ hoạt động công nghiệp.

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

CO₂ thu hồi từ các nhà máy nhiệt điện được bơm xuống dưới mỏ dầu cạn kiệt, làm giảm độ nhớt của dầu còn lại và tận thu chúng

Tại Australia, ba nhà máy nhiệt điện than lớn nhất nước này đã thiết kế được một quy trình thu CO₂ làm đầu vào cho hệ thống nuôi sinh khối tảo. Loại tảo này sau đó được tận dụng để sản xuất ra nhựa và thức ăn chăn nuôi.

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

Ngành khoa học và công nghiệp thu hồi và lưu trữ lại carbon đã liên tục được phát triển trong 10 năm trở lại đây. Tuy nhiên, nó vẫn gặp phải một trở ngại lớn đó là chi phí. Trong khi các nhà khoa học có vô số ý tưởng về màng lọc CO₂ có thể thu giữ lại khí thải này, họ thường thất bại khi triển khai chúng trên quy mô công nghiệp vì giá thành và chi phí phải bỏ ra quá lớn.

Do đó trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học Anh đã cố gắng đi giải bài toán. Họ quan sát thấy bạc khi được sản xuất thành 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, cho phép các loại khí khác khuyếch tán qua, chỉ trừ CO₂ bị giữ lại.

Có điều, bạc lại là một kim loại hiếm nên không hề rẻ. Để khắc phục điểm yếu này, các nhà khoa học đã thử nghiệm một ý tưởng đột phá. Họ tạo ra các màng lọc ban đầu bằng nhôm oxit và chỉ thêm vào một lượng nhỏ phân tử bạc.

Các 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 nuôi tinh thể này diễn ra trong chính dòng khí thẩm thấu qua màng.

Các tinh thể bạc được nuôi trên bề mặt màng oxy nhôm

"Thông qua sự tăng trưởng không cân bằng được điều khiển 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 được chi phí thấp", các tác giả viết trong nghiên cứu.

Nói cách khác, với chi phí rẻ hơn, các màng tinh thể bạc phát triển trên oxit nhôm đã có hiệu suất tương đương với các quy trình thu giữ CO₂ đang được sử dụng hiện nay. "Trên thực tế, hệ thống này có khả năng sẽ giảm được cả kích thước của thiết bị cần thiết và có khả năng giảm được cả chi phí vận hành", Mitch nói.

Các màng thu giữ CO₂ nằm trong một bài toán lớn gọi là "Carbon neutrality", hay trung hòa carbon. Khái niệm được đưa ra vào năm 2006, nhắm đến mục tiêu phát triển nền công nghiệp với mức phát thải CO₂ bằng 0.

Để làm được điều đó, chúng ta phải tìm ra các phương pháp giảm phát thải khí nhà kính hoặc bù đắp lượng phát thải bằng các phương pháp tự nhiên, như trồng thêm rừng, hoặc nhân tạo như các màng thu giữ và tái sử dụng CO₂.

Mục tiêu là đi từ một nền công nghiệp phát thải carbon cao như hiện nay, đến nền công nghiệp phát thải carbon thấp và sau đó là nền công nghiệp hậu carbon. Đây được cho là một giải pháp bền vững cho cả môi trường lẫn xã hội loài người trong tương lai.