Tái chế CO2 từ kẻ hủy diệt thành siêu nguyên liệu?

Trên thực tế, CO2 được coi là sát thủ của khí hậu, là tác nhân của sự nóng lên toàn cầu, gây tan băng và làm nước biển dâng.

Thế nhưng, nó vẫn ít được biết đến như các chất phế thải thông thường khác là có thể được tái chế thành nhiên liệu và hóa chất. Áp lực ngày càng tăng đòi hỏi phải giảm thiểu phát thải CO2 trong hoạt động sản xuất trên thế giới đã thúc đẩy các ngành sản xuất công nghiệp phải có một cách nhìn khác đối với việc thu giữ và sử dụng CO2.

Hiện nay, một số công nghệ mới đã giúp cho quá trình tái chế CO2 trở nên dễ dàng, phổ biến và thân thiện với môi trường hơn, biến loại khí này trở thành một loại nguyên liệu đối với nhiều ngành công nghiệp hay một sản phẩm hữu ích phục vụ đời sống con người.

Xử lý ngang - dọc

Hiện nay, có nhiều quá trình tái chế CO2 thành nhiên liệu và hóa chất, tuy nhiên các quá trình này đều tiêu tốn năng lượng và chưa thực sự hiệu quả hay thân thiện với môi trường do năng lượng bên trong phản ứng CO2 thấp.

Trong bối cảnh này, các nhà khoa học Mỹ vừa mới tìm ra một phương pháp mới để tái chế CO2 hiệu quả: phương pháp “chéo”. Đầu tiên là“xử lý ngang” theo kiểu truyền thống, các nguyên tử carbon được “chức năng hóa”, nghĩa là làm cho nó tạo được những liên kết mới với oxi, nitơ, và các nguyên tử carbon còn lại để có thể dễ dàng kết hợp vào vật liệu, ví dụ như nhựa polyme phân hủy sinh học.

Tiếp theo là phương pháp “xử lý dọc” nhằm làm giảm lượng khí CO2, trong đó cung cấp năng lượng cho phản ứng CO2 bằng cách kết hợp các nguyên tử hydro để tạo ra những phân tử mới. Trên thực tế, trong phương pháp mới này các phân tử carbon được kết hợp thành những hóa chất trong khi vẫn đem lại năng lượng cho phản ứng CO2.

Nhà máy tái chế CO2 thành năng lượng tái tạo.

Ứng dụng phương pháp mới này, các nhà nghiên cứu có thể tái chế CO2 thành focmamit là chất được sử dụng nhiều trong dệt may, dược phẩm và vật liệu dính. Rõ ràng, phương pháp “chéo” giúp gia tăng lợi ích gấp nhiều lần, không chỉ làm giảm sự phụ thuộc vào hydrocacbon mà còn loại bỏ một quá trình gây ô nhiễm môi trường cao.

Vì theo các phương pháp truyền thống, khi tổng hợp focmamit từ hydrocacbon đòi hỏi các khí độc hại phải được xử lý ở nhiệt độ cao, trong khi sử dụng phương pháp “chéo”, các chất hóa học được sử dụng ở đây rẻ và không độc hại, phản ứng xảy ra ở áp suất và nhiệt độ thấp. Bên cạnh đó, phương pháp này có thể áp dụng được với các chất hóa học khác, với việc sử dụng chất khử và các chất phản ứng chức năng khác.

Cuối cùng, để làm cho phương pháp này hoàn toàn bền vững, các nhà nghiên cứu đang tìm cách để tái chế các chất khử bằng nguồn năng lượng carbon thấp như năng lượng mặt trời hay điện phân.

Biến khí thành... đá

Công nghệ chôn khí CO2 dưới lòng đất tiến lên một bước mới khi chất độc hại này có thể biến thành đá vôi, nhằm khắc phục biến đổi khí hậu nhanh chóng.

Công trình nghiên cứu của một nhóm kỹ sư đến từ đại học Southampton (Anh) cho biết họ đã trộn khí CO2 với nước, và sau đó bơm hỗn hợp chất lỏng này xuống một tầng đá basalt cách mặt đất 400-800m.

Đá basalt là thành phần cấu tạo của phần lớn bề mặt đáy biển trên Trái Đất, được hình thành do magma phun trào ra ngoài miệng núi lửa rồi nguội đi, có cấu tạo đặc, xốp và rất giàu canxi, sắt và magiê.

Giới nghiên cứu cho rằng loại đá này rất cần thiết cho quá trình hóa đá khí carbon để có thể tích trữ dưới lòng đất. Kết quả cho thấy 98% khí CO2 đã hóa thành đá tảng có màu phấn trắng trong vòng 2 năm. Đây là một tiến trình khá nhanh bởi lẽ các kỹ sư ban đầu lo ngại hỗn hợp chất lỏng này phải mất tới hàng trăm, thậm chí hàng nghìn năm, mới có thể hóa đá.

Với kết quả ngoài mong đợi trên, họ đã quyết định mở rộng quy mô dự án, đặt mục tiêu từ mùa hè này sẽ “chôn” hơn 10.000 tấn CO2 xuống lòng đất mỗi năm.

Hiện tại, nhóm nghiên cứu tới từ đại học Columbia cũng đang tìm hiểu một loại đá được tìm thấy ở Oman, trong đó có thể biến CO2 thành đá thậm chí còn tốt hơn so với basalt.

Tuy nhiên, nhiều ý kiến cho rằng kỹ thuật này có một nhược điểm là yêu cầu lượng nước quá lớn (25 tấn nước cho mỗi tấn CO2), đồng thời lượng vi sinh vật dưới lòng đất sản sinh ra methane có thể phá vỡ cấu trúc đá vôi.

Dù vậy, đa số nhận định kỹ thuật “hóa đá carbon” đòi hỏi chi phí thấp, là một biện pháp khắc phục thiên nhiên an toàn ở những nơi có loại đá phù hợp tồn tại. Rõ ràng, kỹ thuật này cần được tiếp tục nghiên cứu và nhân rộng bởi hàng năm có hàng triệu tấn khí thải CO2 trên thế giới thải ra mà vẫn chưa có biện pháp nào được thực hiện triệt để loại bỏ khí độc hại này.

Từ khí thành năng lượng

Các nhà khoa học Canada vừa công bố kế hoạch biến CO2 trở thành năng lượng cung cấp cho các thiết bị sử dụng điện (trong đó có xe hơi).

Cụ thể, kế hoạch này bao gồm việc xây dựng một nhà máy xử lý khí thải CO2, bằng việc áp dụng công nghệ thu CO2 từ không khí, thông qua phản ứng kết hợp với hydro để trở thành hydrocarbon - nhiên liệu cung cấp chính cho xe hơi điện và các thiết bị khác.

Ý tưởng này được truyền cảm ứng từ quá trình hô hấp của thực vật. Thông qua tài trợ của tỷ phú công nghệ Bill Gates, các nhà nghiên cứu của hãng đã tìm ra cách thu thập khí CO2 từ bầu khí quyển trái đất với hiệu năng cao.

Tuy nhiên, công nghệ này vẫn còn đang trong quá trình phát triển sơ khai, chưa thực sự hiệu quả để có thể đưa vào khai thác công nghiệp. Chỉ riêng công đoạn đốt nóng CO2 lên tới 400 độ, bước đệm cần thiết trong quá trình, đã tiêu tốn chi phí sử dụng. Nhà máy đang trong quá trình chế tạo cũng chỉ đủ khả năng tạo ra 450 tấn CO2/năm, con số chỉ vỏn vẹn ngang bằng mức thải khí của 33 người dân Canada/năm.

Các thành viên nghiên cứu lấy lõi đá được xử lý bằng bơm hỗn hợp CO2 và nước.

Nói cách khác, các nhà khoa học vẫn đang tìm cách “sống chung với lũ”, khi tình trạng nóng lên toàn cầu đang diễn ra nằm ngoài tầm kiểm soát của con người. Nếu những nhà máy thu CO2 này sớm đi vào hoạt động, lượng nguyên liệu cần thiết để tạo ra năng lượng cho con người sử dụng có thể nói là gần như vô tận. Đây được xem là một nhân tố mới trong hệ thống năng lượng tái tạo mà con người đang khai thác.

Siêu nguyên liệu công nghiệp

Nhiều nhà khoa học đã nhấn mạnh rằng không nên chôn mà phải tìm cách tái chế CO2. Theo đó, có thể thu gom được khoảng 10% lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính trên toàn cầu nhờ công nghệ tái chế CO2.

Nhờ một số chất xúc tác đặc biệt, các nhà khoa học có thể làm cho khí CO2 vốn rất trì trệ trở nên “năng động hơn”. Chất xúc tác kích hoạt khí CO2 và những chất khác làm cho chúng có thể phản ứng với CO2, từ đó hình thành những chất mới (như một số loại dung dịch hay muối). Chúng là nền tảng để tạo nên các chất tổng hợp hay các loại vật liệu xây dựng khác nhau.

Cho đến nay, từ CO2 có thể làm ra 26 loại vật liệu xây dựng khác nhau như xi măng, vôi vữa hay soda - những sản phẩm không thể thiếu trong ngành sản xuất vật liệu xây dựng.

Từ năm 2010, Bộ Năng lượng Mỹ đã đầu tư 106 triệu USD, còn Bộ Nghiên cứu Liên bang Đức cũng đầu tư 200 triệu USD cho nghiên cứu về CO2. Hiện nay, các doanh nghiệp hóa chất như Evonik, Skyonic và Bayer, thậm chí cả các tập đoàn năng lượng và công nghệ như Siemens, RWE và EnBW cũng đã bắt đầu vào cuộc.

Ví dụ như, các nhà khoa học của hãng Bayer đang nghiên cứu sử dụng CO2 để sản xuất acid formic - một loại hóa chất được sử dụng với khối lượng lớn trong nhiều lĩnh vực khác nhau; trong khi đó, doanh nghiệp Skyonic đã sản xuất khoảng 40 tấn thuốc muối hằng năm từ CO2, và tiếp tục đầu tư 125 triệu USD để xây dựng một nhà máy lớn hơn với công suất 143.000 tấn muối và triệt tiêu 75.000 tấn CO2 mỗi năm.

Một trong những đột phá quan trọng nhất là việc tái chế CO2 thành “siêu nguyên liệu” thay thế dầu mỏ. Các doanh nghiệp Đức hiện đang dẫn đầu trong xu hướng này. Dự án Rheticus do tập đoàn hóa chất Evonik và Siemens hợp tác sẽ được triển khai, với ý định sao chép tự nhiên để tạo ra quá trình quang hợp nhân tạo.

Nhờ đó, CO2 và nước sẽ được chuyển hóa thành các hợp chất hóa học mới. Dự án thử nghiệm đầu tiên sẽ hoàn thành vào năm 2021 với tham vọng tái chế để sử dụng lại CO2 trong vai trò một loại nhiên liệu thay thế dầu mỏ (thay vì “tống” ra không khí) với giá thành thấp hơn và thân thiện với môi trường hơn.

Đây là một tiềm năng to lớn vì trong CO2 có carbon - nền tảng để tạo ra xăng dầu, xăng máy bay, chất dẻo hay các loại hóa chất khác. Cho đến nay carbon được lấy từ dầu thô, trong thực tế toàn bộ ngành sản xuất hóa chất dựa trên nhiên liệu hóa thạch.

Nhưng nguồn dầu mỏ rồi sẽ cạn kiệt, trong khi đó một lượng lớn khí thải gây hiệu ứng nhà kính CO2 đang bị thải ra bầu khí quyển trong quá trình sử dụng tài nguyên dầu mỏ.

Tái chế CO2 là một ý tưởng tuyệt vời, và từ lâu điều này không còn là chuyện viễn tưởng xa xôi. Trên thế giới, ngày càng nhiều các cơ sở muốn nghiên cứu và hiện thực hóa ý định này để giúp con người có thể sản xuất các loại hóa chất và nhiên liệu mà hoàn toàn không cần đến dầu mỏ.

Nam Hồng