Thu hồi và sử dụng CO2 từ ống khói nhà máy

Posted on February 28, 2010

0


Dạng tài liệu : Bài trích tạp chí
Ngôn ngữ tài liệu : viet
Tên nguồn trích : Khoa học Công nghệ Môi trường
Dữ liệu nguồn trích : 2008/Số 10/Thành tựu mới – công nghệ mới – sản phẩm mới
Đề mục : 87.53 Chất thải. Quản lý và sử dụng chất thải, công nghệ ít chất thải và không chất thải
Từ khoá : Khí thải công nghiệp
Từ khoá phụ : Thu hồi ; Sử dụng

Tạo ra vật liệu xốp hấp thụ hiệu quả đối với CO2

Các nhà nghiên cứu đã phát triển được những vật liệu xốp có khả năng hấp thụ CO2 với khối lượng lớn gấp 80 lần khối lượng của bản thân chúng. Những vật liệu này có thể được dùng để thu giữ khí CO2 trong thành phần khí thải ra từ ống khói của nhà máy, đặc biệt là nhiệt điện. Khí CO2 được hấp thụ trong những vật liệu này có thể lấy ra bằng cách thay đổi áp suất, sau đó nén lại và cuối cùng được bơm xuống lòng đất để cất giữ lâu dài.
Phương pháp thu giữ và tàng trữ CO2 như vậy có một tầm quan trọng đặc biệt để giảm phát thải khí nhà kính, nhất là cho những quốc gia sản xuất điện từ than, ví dụ như Mỹ, Trung Quốc. Khâu đầu tiên, tức là thu giữ CO2, là đặc biệt quan trọng, về khâu này có thể tiêu tốn 75% toàn bộ chi phí, Bộ Năng lượng Mỹ cho biết.
Những vật liệu mới đã được tạo ra bởi nhóm nghiên cứu đứng đầu là Omar Yaghi. Ông là nhà hóa học nổi tiếng, với các công trình chế tạo các cấu trúc nano cực kỳ phức tạp. Những vật liệu này hấp thụ một khối lượng lớn khí CO2, nhưng lại không hấp thụ các khí khác.
Nhiều kỹ thuật từng được phát triển để thu giữ CO2 từ khí thải, nhưng chúng sử dụng rất nhiều năng lượng, chiếm tới 15-20% toàn bộ sản lượng điện của nhà máy điện. Sở dĩ như vậy là vì những vật liệu hiện có, được biết là các amin, cần phải được gia nhiệt để lấy CO2 ra khỏi chúng. Trên thực tế, việc thu giữ và nén khí CO2 bằng những phương pháp hiện có nay có thể làm cho chi phí sản xuất điện từ than tăng thêm 80-90%, theo Thomas Feeley, Giám đốc Dự án của Phòng Thí nghiệm Công nghệ năng lượng quốc gia.
Feeley cho biết những vật liệu của Yaghi sánh được với các vật liệu đang thử nghiệm khác cũng dễ hấp thụ CO2, nhưng được phát triển để giảm bớt những phí tổn như vậy. Yaghi nói những vật liệu của nhóm ông có thể giảm phí tổn xuống rất nhiều, vì chúng sử dụng ít năng lượng hơn, mặc dù chính xác là bao nhiêu thì đòi hỏi phải có các thử nghiệm ở nhà máy điện.
Ngoài tiềm năng hữu ích để làm sạch khói thải nhà máy nhiệt điện, những vật liệu này còn có thể được ứng dụng trong các nhà máy khí hóa than. Ở những nhà máy này, đầu tiên than được chế biến để sản ra hỗn hợp CO2 và H2. Tiếp đó H2 được dùng để sản xuất điện, còn CO2 có thể được thu giữ bằng cách sử dụng dung môi, làm tăng năng lượng tiêu tốn. Nhưng cũng giống như quy trình dùng cho ống khí nhà máy điện, những vật liệu mới có thể cần đến ít năng lượng hơn.
Những vật liệu nói trên nằm trong nhóm vật liệu có tên là các khung zeolitic imidazolate (ZIF). Chúng được tạo ra từ các nguyên tử kim loại được bắc cầu với nhau bằng một hoặc vài phân tử hữu cơ hình xuyến. Trước khi có công trình của Yaghi, đã có 24 loại ZIF được phát triển trong vòng 12 năm. Yaghi đã tạo ra 25 phiên bản mới chỉ trong 3 tháng. Những vật liệu này có thể cực kỳ linh hoạt, vì những phân tử kim loại có thể tác dụng như những xúc tác mạnh, còn những phân tử hữu cơ có thể có công dụng như những “mỏ neo” để móc vào đó một số phân tử chức năng.
Những vật liệu mới hấp thụ tốt CO2 một phần là do chúng cực kỳ xốp, do vậy có diện tích bề mặt lớn để tiếp xúc nhiều với CO2. Yaghi cho biết vật liệu thuộc loại xốp nhất do nhóm phát triển chứa gần 2.000 m2 diện tích bề mặt trong 1g vật liệu. Một lít vật liệu của Yaghi có thể tích trữ toàn bộ các phân tử CO2 mà ở nhiệt độ 0oC và áp suất khí quyển cần đến một dung tích 82,6 lít.
Bước tiếp theo, các nhà nghiên cứu sẽ cần tiến hành để có thể thương mại hóa vật liệu. Việc này đòi hỏi phải mở rộng quy mô sản xuất và kết hợp vật liệu vào một hệ thống ở nhà máy điện, chẳng hạn như bao gói chúng thành những chiếc hộp để có thể đưa khí thải áp suất cao vào – ý đồ này có thể được nhóm thực thi trong 2-3 năm tới. Yaghi ước tính những vật liệu này có thể dễ dàng sản xuất với lượng lớn, vì chúng tương tự như những vật liệu khác do nhóm ông phát triển, nay đã được công ty BASF sản xuất ra hàng tấn. Và ông đã phát triển được các kỹ thuật tự động, có thể giúp sản xuất được nhiều vật liệu hơn, thậm chí còn có các tính chất tốt hơn.

Sử dụng enzym của vi khuẩn biến đổi gen


Công ty CO2 Solution ở Quebec, Canada hiện đã thử nghiệm quy trình dựa trên phương pháp mới để thu hồi lượng CO2 ở xí nghiệp đốt rác thải đô thị quy mô nhỏ và xí nghiệp luyện nhôm Alcoa. Các nhà khoa học của Công ty hiện đang cộng tác với các nhà chế tạo thiết bị nhà máy điện, trong đó có Công ty Babcock và Wilcox, về những phương pháp để làm thích nghi công nghệ này cho các nhà nhiệt điện dùng than.
Họ đã áp dụng kỹ thuật gen cho vi khuẩn E.coli để nó sản ra loại enzym biến CO2 thành bicarbonate. Enzym này chính là cốt lõi của công nghệ lò phản ứng sinh học, có khả năng tăng quy mô để thu hồi lượng CO2 phát thải từ các nhà máy nhiệt điện.
“Cho tới nay, chúng ta mới chỉ có công nghệ ở dạng nguyên mẫu quy mô nhỏ”- Sylvia Fradette, Phó Chủ tịch về NCPT của CO2 Solution, nói. “Tiếp tới, chúng tôi phải phát triển một nguyên mẫu quy mô rất lớn, hoặc một nhà máy pilot”. Enzym này có tên là carbonic anhydrase, có tính năng xử lý CO2 sản ra ở các sinh vật. Có nhiều phương pháp khác để thu hồi CO2 từ các ống khói công nghiệp và nhà máy nhiệt điện, nhưng việc tách dòng khí CO2 ra khỏi các loại khí thải và chất thải khác làm cho phần lớn các cách tiếp cận này cần năng lượng lớn, bởi vậy rất đắt tiền. Bà Fradette cho biết, cách tiếp cận của CO2 Solution không cần đến công đoạn tách CO2 ra khỏi các khí thải khác, mà có thể áp dụng cho mọi nguồn khí thải, bởi vậy đây sẽ là cách lý tưởng cho cả các nhà máy nhiệt điện thông thường lẫn các xí nghiệp khí hoá than hiện đại.
Ở phương pháp này, lò phản ứng là một ống xilanh dài chứa vật liệu kết tụ trong đó. Xilanh này có công dụng hỗ trợ chắc chắn cho enzym. Bề mặt của vật liệu này được cải biến hoá học để các enzym có thể bám vào một cách an toàn. Ở phần trên cùng của xilanh, dung dịch nước được bơm vào và lan toả khắp vật liệu, trong khi khí thải được đưa vào từ dưới đáy xilanh và sục khí qua dung dịch nước. Khí CO2 được dung dịch hấp thụ và tương tác với các enzym, biến thành các ion bicarbonate. Kết thúc quá trình, khí sạch thoát lên trên, còn dung dịch chứa bicarbonate được tách ra để xử lý tiếp: hoặc đưa trở lại thành khí CO2 nguyên chất để vùi vào lòng đất, hoặc thành hợp chất carbonat, chẳng hạn như đá vôi, để dùng trong ngành công nghiệp.
Don Langley, Phó Chủ tịch kiêm Giám đốc công nghệ của Babcock và Wilcox cho biết cách tiếp cận này có nhiều hứa hẹn hơn để thu hồi CO2 ở quy mô lớn so với một số phương án khác. Nhà máy luyện nhôm Alcoa đã thử nghiệm bằng cách lắp đặt vào lỗ thải khí của hệ thống lò luyện. Michel Lapage, Giám đốc phụ trách vấn đề môi trường của Alcoa cho biết nguyên mẫu này hoạt động tốt. “Công nghệ này thu hồi được 80% lượng CO2 thải ra, đây là một con số rất lớn”, Lepage nói. “Mặc dù đây mới chỉ là một thử nghiệm quy mô nhỏ, nhưng nó chứng tỏ một tiềm năng to lớn”.
CO2 Solution cũng thấy được tác dụng của công nghệ này đối với một số lĩnh vực công nghiệp khác. Thượng tuần tháng 2/2007, Công ty đã đăng ký patăng châu Âu cho quy trình thu hồi CO2 từ các nhà máy xi măng và biến lượng CO2 đó thành bicarbonate và đá vôi- một thành phần then chốt trong quy trình sản xuất xi măng. Công ty hiện đã nhận được patăng của Mỹ cho quy trình này. Bicarbonate nhận được cũng hữu ích để sản xuất các hợp chất của carbonat để trung hoà một số chất thải công nghiệp.
Về phần mình, Babeock và Wilcox cũng hết sức quan tâm đến vấn đề thu hồi CO2 để nén và cất giữ nó.
Langley nhấn mạnh rằng công nghệ này phần lớn vẫn còn ở trong giai đoạn phôi thai và cần phải khắc phục những trở ngại lớn về kinh tế và kỹ thuật. Kỹ thuật sinh sản enzym của CO2 Solution đã làm giá sản xuất enzym giảm đi rất nhiều: Có lẽ thách thức lớn nhất bây giờ là sản xuất ra lượng enzym đủ lớn để phục vụ cho các nhà máy nhiệt điện, nơi phát thải ra lượng CO2 rất lớn.
K.G.N. (theo Environment Science and Technology, 8/2008)