Mô hình pin vĩnh cửu dựa trên nguồn năng lượng sạch là thứ mà nhân loại đã “khao khát” trong suốt hàng thiên niên kỷ (Ảnh: Getty).

Tinh thể cobaltocene sử dụng làm xúc tác – “chìa khóa” để tạo ra pin vĩnh cửu (Ảnh: Wikipedia).

The post Tìm ra công nghệ pin vĩnh cửu, không gây ô nhiễm first appeared on HÓA HỌC NGÀY NAY.

Ảnh minh họa. Nguồn: sciencenewsforstudents.org

Bộ Nông nghiệp Mỹ là cơ quan chính thức định nghĩa và kiểm soát thuật ngữ “hữu cơ”. Điều đó có nghĩa là để được dán nhãn thực phẩm hữu cơ trên bao bì, thực phẩm đó phải đáp ứng một số tiêu chuẩn nhất định.

Nông sản hữu cơ

Nông sản hữu cơ phải được trồng trong điều kiện không sử dụng các chất hóa học và thuốc trừ sâu. Nông dân phải sử dụng các phương pháp tự nhiên để khống chế các loại côn trùng và cỏ dại. Chỉ được sử dụng những loại phân bón tự nhiên, ví dụ như phân xanh. Sau khi thu hoạch, không được bảo quản những nông sản hữu cơ này bằng các chất bảo quản, ví dụ như sáp. Thuật ngữ “hữu cơ” cũng loại trừ các loại thực phẩm đã được thay đổi bằng phương pháp khoa học, chẳng hạn như dưa hấu không hạt.

Mục tiêu của nông nghiệp hữu cơ là làm giảm sự ảnh hưởng tiêu cực lên môi trường và nâng cao tính bền vững. Bền vững có nghĩa là tập quán canh tác phải là những tập quán dưỡng đất, giúp tăng năng suất và kéo dài thời gian sử dụng.

Các loại thịt và thực phẩm từ động vật hữu cơ

Thịt và thực phẩm từ động vật hữu cơ phải được thu hoạch từ các vật nuôi trong điều kiện tự nhiên. Nghĩa là nông dân cho vật nuôi ăn các loại thực phẩm hữu cơ, nuôi trong điều kiện chuồng trại sạch sẽ và để vật nuôi được tiếp xúc với môi trường bên ngoài. Không được sử dụng các loại hormone tăng trưởng hay thuốc kháng sinh vốn thường được sử dụng cho vật nuôi “không hữu cơ”. Các tập quán canh tác nhìn chung thân thiện với môi trường.

Các loại nhãn hàng hữu cơ

Bộ Nông nghiệp Mỹ cho phép nhiều nhãn hàng hữu cơ khác nhau. Bạn có thể gặp một vài nhãn như sau:

– 100% hữu cơ nghĩa là sản phẩm được sản xuất và chế biến chỉ bằng các phương pháp và thành phần hữu cơ đã được chấp nhận. Loại nhãn này thường được sử dụng trên các sản phầm có 1 thành phần duy nhất như trái cây hoặc trứng.

– Sản phẩm hữu cơ chứa ít nhất 90% các thành phần hữu cơ.

– Sản phẩm được làm từ các sản phẩm hữu cơ bao gồm ít nhất 75% thành phần hữu cơ.

– Một vài nhãn khác thường gặp là: Tự nhiên, bền vững và được nuôi bằng cỏ. Chúng ta cần lưu ý rằng các thuật ngữ này không được Bộ Nông nghiệp Mỹ chính thức định nghĩa và kiểm soát. Không có gì bảo đảm rẳng những sản phẩm này có đủ tiêu chuẩn để được phép dán nhãn hàng hữu cơ.

Các sản phẩm hữu cơ có tốt hơn so với sản phẩm thông thường không?

Các sản phầm hữu cơ thường được giới thiệu như một  sản phẩm sạch và lành mạnh hơn. Tuy nhiên chúng có thật sự khác biệt hay không?

– Chất dinh dưỡng: Một số loại thực phẩm hữu có thành phần dinh dưỡng giống như những sản phẩm không hữu cơ tương ứng, trong khi một số loại thì có hàm lượng dinh dưỡng cao hơn. Ví dụ, mặc dù vẫn đang trong quá trình kiểm nghiệm, nhưng dường như một số loại trái cây (như táo) thông thường ở các cửa hàng bách hóa có thể có các thành phần dinh dưỡng giống hệt như trái cây hữu cơ. Các loại thức ăn vặt hữu cơ, như bánh qui hay kem, thì không chứa các thành phần dinh dưỡng đặc biệt nào. Ngược lại, một vài loại trái cây và rau chứa nhiều thành phần khoáng chất vi lượng do sự khác biệt giữa nông nghiệp hữu cơ và không hữu cơ.

– Các thành phần nhân tạo: Đặc điểm khác biệt cơ bản giữa thực phẩm hữu cơ và không hữu cơ (thực phẩm thông thường) là ở chỗ có tiếp xúc với các hormone tăng trưởng, các thành phần tổng hợp và thuốc trừ sâu hay không. Mặc dù phân bón và thuốc trừ sâu thường được sử dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm nhưng một số người lo sợ những hậu quả lâu dài mà các chất hóa học nhân tạo này có thể gây ra cho sức khỏe và sự phát triển của con người. Trong khi các bác sĩ vẫn chưa chắc chắn về những vấn đề bệnh tật do phân bón nhân tạo và thuôc trừ sâu gây ra thì việc sử dụng các sản phẩm hữu cơ có thể làm giảm sự rủi ro tiềm tàng về sức khỏe.

– Hương vị: Bởi thực phẩm hữu cơ không chứa chất bảo quản nên người ta thường mua từ các nông dân địa phương và vì vậy các loại thực phẩm này thường tươi hơn. Chúng cũng không chứa các chất hóa học và hương liệu nhân tạo, nên  hương vị tự nhiên hơn. Tuy các nhãn hữu cơ không ghi gì về độ tươi hoặc hương vị tốt nhưng bạn có thể sẽ thấy chúng ngon hơn. Hãy thử các thực phẩm và sản phẩm từ sữa hữu cơ và đưa ra kết luận riêng của bạn về hương vị cùa chúng.

– Môi trường: Nông nghiệp hữu cơ là một hình thức canh tác thân thiện với môi trường. Những nông dân hay trang trại được cấp chứng chỉ cùa Bộ Nông nghiệp Mỹ làm việc để giảm ô nhiễm, tiết kiệm nước và tài nguyên, và giảm xói mòn đất đai. Họ cũng tạo những điều kiện sống tự nhiên hơn cho các vật nuôi. Các nông dân hay trang trại làm nông nghiệp hữu cơ cũng không dùng thuốc trừ sâu, những chất vốn có thể tích tụ theo thời gian và gây hại đến các động thực vật hoang dã. Thực phẩm hữu cơ thường được bán tại các cửa hàng địa phương gần nơi sản xuất nên sẽ góp phần làm giảm ô nhiễm do không phải vận chuyển hàng hóa đi xa.

– Thời gian bào quản: Do không sử dụng các chất bảo quản, thực phẩm hữu cơ thường không để lâu được như thực phẩm không hữu cơ. Các sản phẩm hữu cơ (đặc biệt là nông sản) có thể mau bị hư hơn.

– Giá cả: Có thể bạn cũng đã biết, các sản phẩm hữu cơ thường đắt hơn thực phẩm không hữu cơ. Điều này phần lớn là do nông nghiệp hữu cơ có chi phí sản xuất cao hơn, cũng như sản phẩm làm ra để cung cấp ra thị trường ít hơn. Nếu có nhiều người dùng thực phẩm hữu cơ hơn, nhiều khả năng giá sẽ giảm xuống. Ở những khu vực có nhiều người thường xuyên mua các sản phẩm hữu cơ thì chi phí có xu hướng dần giảm xuống.

Khi xem xét liệu thực phẩm hữu cơ có phù hợp cho bản thân và gia đình hay không, hãy nhớ rằng không một loại thức ăn nào là thần dược cho sức khỏe của bạn. Nhãn hàng hữu cơ chỉ có nghĩa là các loại thực phẩm đó được sản xuất và chế biến bằng các phương pháp tự nhiên, chứ không bào đảm về các giá trị dinh dưỡng. Dù mua cái gì, thì bạn hãy chắc chắn kiểm tra thông tin dinh dưỡng trên bao bì. Tiếp tục thực hiện các qui trình an toàn khi sử dụng thức ăn, bao gồm rửa sạch sản phẩm và để thịt sống riêng rẽ với các loại thức ăn khác trước khi nấu. Hiểu rõ sự thật về thực phẩm hữu cơ và không hữu cơ có thể giúp bạn có sự lựa chọn tốt và lành mạnh hơn.

Hoahocngaynay.com

Nguồn: TuoitreOnline

The post Thực phẩm hữu cơ: Những điều cần biết first appeared on HÓA HỌC NGÀY NAY.

The post Chất chống oxy hoá: Những điều cần biết first appeared on HÓA HỌC NGÀY NAY.

Bộ Ngoại giao Hàn Quốc ngày 26/10 xác nhận nước này và Mỹ đã khởi động một dự án nghiên cứu chung về khai thác các nguyên tố đất hiếm ở Việt Nam, như một phần trong nỗ lực đẩy mạnh hợp tác nhằm tăng cường chuỗi cung ứng các khoáng sản quan trọng.

Theo nguồn tin được tờ the Korea Times, Hàn Quốc và Mỹ sẽ cử các nhà nghiên cứu và chuyên gia địa chất tới Hà Nội trong ba tháng bắt đầu từ tháng 10/2023 để nghiên cứu việc khai thác đất hiếm và các nguyên tố quan trọng khác từ tro than, trong khuôn khổ dự án Nghiên cứu sinh Khoa học của Đại sứ quán Mỹ (ESF).

Bộ Ngoại giao Hàn Quốc cho biết thêm, Mỹ đã thực hiện các dự án ESF từ năm 2001, nhưng đây là lần đầu tiên Washington phối hợp với một đối tác nước ngoài, cử các nhà khoa học tới một nước thứ ba. Các đồng minh của Mỹ cũng đang hợp tác chặt chẽ với phía chính phủ Việt Nam để tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động nghiên cứu chung.

Bộ Ngoại giao Hàn Quốc khẳng định dự án sẽ tìm cách thúc đẩy việc sử dụng các công nghệ thân thiện với môi trường để khai thác các nguyên tố đất hiếm, cũng như tăng cường hoạt động hợp tác quốc tế trong quy trình xử lý các khoáng sản quan trọng.

Hoạt động hợp tác này cũng giúp tăng cường nỗ lực trong các cơ chế đa phương hiện có về các khoáng sản quan trọng, chẳng hạn như Hiệp định Đối tác An ninh Khoáng sản (MSP) do Mỹ dẫn đầu mà các đồng minh của Mỹ đăng ký tham gia.

MSP được Mỹ triển khai vào năm ngoái nhằm tăng cường nguồn cung toàn cầu và thúc đẩy đầu tư vào các khoáng sản quan trọng, như lithium, coban và niken. MSP cũng được cho là nhằm giảm nguy cơ phụ thuộc vào Trung Quốc về nguyên liệu thô, đặc biệt là nguồn cung đất hiếm mà Trung Quốc là nước dẫn đầu trong lĩnh vực này.

Hoahocngaynay.com

The post Mỹ-Hàn Quốc khởi động dự án khai thác đất hiếm tại Việt Nam first appeared on HÓA HỌC NGÀY NAY.

The post Việt Nam lên kế hoạch sản xuất hydrogen, nguồn năng lượng sạch vô tận first appeared on HÓA HỌC NGÀY NAY.

Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển lúc 16h45 ngày 4/10 (giờ Hà Nội) công bố ba nhà khoa học Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus and Alexei I. Ekimov là chủ nhân của giải Nobel Hóa học năm 2023.

Moungi G. Bawendi (62 tuổi) sinh tại Pháp, hiện là giáo sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), Mỹ. Louis E. Brus (80 tuổi), người Mỹ, hiện là giáo sư tại Đại học Columbia, Mỹ. Alexei I. Ekimov (78 tuổi), sinh ở Liên Xô. Ông trở thành tiến sĩ tại Viện Vật lý – Kỹ thuật Ioffe, Nga, năm 1974 và từng là nhà khoa học chính tại công ty Nanocrystals Technology, Mỹ.

Những nhà nghiên cứu hóa học biết đặc điểm của một nguyên tố được quyết định bởi số lượng electron của nó. Tuy nhiên, khi vật chất co tới kích thước nano, hiện tượng lượng tử phát sinh và bị chi phối bởi kích thước của vật chất. Các học giả Nobel Hóa học 2023 sản xuất thành công các hạt nhỏ đến mức đặc điểm của chúng được quyết định bởi hiện tượng lượng tử. Loại hạt gọi là chấm lượng tử này giờ đây có tầm quan trọng to lớn trong công nghệ nano.

“Chấm lượng tử có nhiều đặc điểm thú vị và khác thường. Điều quan trọng là chúng có màu sắc khác nhau tùy theo kích thước”, Johan Åqvist, chủ tịch Hội đồng Nobel Hóa học cho biết.

Giới vật lý đã biết từ lâu rằng về mặt lý thuyết, hiệu ứng lượng tử phụ thuộc vào kích thước có thể phát sinh ở hạt nano, nhưng ở thời điểm đó, gần như không thể điều chỉnh kích thước nano. Do đó, rất ít người tin tưởng hiểu biết trên có thể ứng dụng vào thực tế.

Tuy nhiên, đầu thập niên 1980, Alexei Ekimov tạo thành công hiệu ứng lượng tử phụ thuộc vào kích thước ở thủy tinh màu. Màu sắc đến từ các hạt nano đồng chloride và Ekimov chứng minh kích thước hạt tác động tới màu sắc của thủy tinh thông qua hiệu ứng lượng tử.

Vài năm sau, Louis Brus trở thành nhà khoa học đầu tiên trên thế giới chứng minh hiệu ứng lượng tử phụ thuộc vào kích thước ở hạt trôi nổi tự do trong chất lỏng.

Năm 1993, Moungi Bawendi cách mạng hóa quá trình sản xuất hóa học chấm lượng tử, kết quả là các hạt gần như hoàn hảo. Chất lượng cao như vậy rất cần thiết để sử dụng chấm lượng tử trong nhiều ứng dụng.

Các chấm lượng tử giờ đây giúp làm sáng màn hình máy tính và TV dựa vào công nghệ QLED. Chúng cũng bổ sung sắc thái cho ánh sáng của một số đèn LED, các nhà hóa sinh và bác sĩ cũng sử dụng chúng để lập bản đồ mô sinh học.

Các chấm lượng tử do đó mang đến lợi ích to lớn cho nhân loại. Các nhà nghiên cứu tin rằng trong tương lai, chúng có thể góp phần tạo ra các thiết bị điện tử linh hoạt, cảm biến tí hon, pin mặt trời mỏng hơn và liên lạc lượng tử mã hóa. Con người mới chỉ bắt đầu khám phá tiềm năng của những hạt nhỏ bé này.

Chủ nhân giải Nobel năm nay sẽ được nhận khoản tiền thưởng 11 triệu krona Thụy Điển (986.000 USD), tăng một triệu krona Thụy Điển so với năm 2022.

Giải Nobel Hóa học năm 2022 được trao cho ba nhà khoa học Carolyn R. Bertozzi (Mỹ), Morten Meldal (Đan Mạch) và K. Barry Sharpless (Mỹ) với nghiên cứu về phát triển hóa học click và hóa học sinh trực giao, ứng dụng để khám phá tế bào và cải tiến thuốc điều trị ung thư.

Nobel là giải thưởng quốc tế do Quỹ Nobel tại Stockholm lập ra từ năm 1901 dựa trên tài sản của Alfred Nobel, nhà phát minh kiêm doanh nhân Thụy Điển.

Giải thưởng được trao thường niên cho những cá nhân và tổ chức có cống hiến nổi bật trong các lĩnh vực Y sinh, Hóa học, Vật lý, Văn học, Hòa bình. Năm 1968, Ngân hàng Trung ương Thụy Điển lập ra Giải thưởng của Ngân hàng Thụy Điển cho Khoa học kinh tế để tưởng nhớ Nobel, còn gọi là giải Nobel Kinh tế.

Mỗi giải thưởng gồm huy chương, bằng chứng nhận cá nhân và một khoản tiền thưởng. Từ năm 1901-2022, giải thưởng đã được trao 615 lần cho 989 cá nhân và tổ chức trên thế giới.

Hoahocngaynay.com

Nguồn: VnExpress.net/NobelPrize.org

The post Nobel Hóa học 2023 vinh danh nghiên cứu công nghệ nano first appeared on HÓA HỌC NGÀY NAY.

Astatine hiếm đến mức các nhà khoa học vẫn không biết thông tin cơ bản về nguyên tố này như nó trông thế nào. Astatine được đặt tên theo từ “kém ổn định” trong tiếng Hy Lạp. Nó là nguyên tố phóng xạ với chu kỳ bán rã chỉ hơn 8 giờ, ngay cả ở dạng ổn định nhất là astatine-210. Điều đó có nghĩa thậm chí nếu bạn thu thập được một ít, sau 24 giờ, số lượng chỉ còn 1/8 do astatine phân rã thành bismuth-206 hoặc polonium-210.

Phần lớn đồng vị astatine có chu kỳ bán rã dưới một giây. Tính phóng xạ của astatine cao đến mức nếu bạn có một lượng đủ để quan sát bằng mắt thường, nó sẽ bốc hơi dưới hơi nóng của chính nó. Các nhà khoa học chỉ có thể làm việc trực tiếp với astatine thông qua sản xuất nhân tạo bằng phản ứng hạt nhân, thường là dùng hạt alpha để bắn phá bismuth-209.

Do đó, hầu hết những gì chúng ta biết về nguyên tố này đến từ nghiên cứu lý thuyết thay vì thí nghiệm thực tiễn. Ví dụ, giới nghiên cứu cho rằng astatine trông giống một vật rắn màu đen bởi nó nằm ở cột halogen của bảng tuần hoàn. Những nguyên tố trong cột halogen càng nặng càng sẫm màu hơn. Flo không màu, chlorine màu vàng – xanh lá cây, bromine màu đỏ – nâu, iod màu xám đậm – tím. Do đó, theo logic, nguyên tố tiếp theo là astatine sẽ càng tối hơn.

Astatine giống kim loại hơn hay phi kim hơn vẫn là câu hỏi gây tranh cãi giữa các nhà hóa học bởi nó nằm dọc theo đường chéo ở bảng tuần hoàn, chứa những á kim như boron và silicon. Trong phản ứng hóa học, nó đôi khi hoạt động như halogen và đôi khi giống kim loại, khiến giới chuyên gia không dễ phân loại.

Dù cực kỳ hiếm gặp, astatine có thể có một số ứng dụng thực tiễn quan trọng. Khi nguyên tố phân rã, nó phát ra hạt alpha, hạt phóng xạ hình thành từ sự kết hợp của hai proton và hai neutron. Vì nhiều lý do, hạt alpha nhắm vào tế bào ung thư rất hiệu quả. Theo Mehran Makvandi, nhà X quang học ở trường y của Đại học Pennsylvania, astatine phát ra ít hạt alpha hơn đồng vị khác như actinium-225. Nguyên tố này cũng chỉ phát ra hạt alpha là loại bức xạ ít độc hại nhất.

Nếu các nhà khoa học có thể gắn đồng vị astatine vào phân tử tìm tế bào ung thư, họ có thể tạo ra liệu pháp điều trị ung thư không gây hại cho mô xung quanh. Do astatine quá hiếm và kém ổn định, đó không phải nhiệm vụ dễ dàng.

Hoahocngaynay.com

Nguồn VnExpress.net/IFL Science

The post Nguyên tố tự nhiên hiếm nhất trên Trái Đất first appeared on HÓA HỌC NGÀY NAY.

Các nguyên tố đất hiếm có nhiều đặc tính hữu ích nên rất được các ngành năng lượng và công nghệ ưa chuộng. Nhóm này gồm 17 kim loại, bao gồm 15 nguyên tố kim loại ở cuối bảng tuần hoàn, cùng với 2 nguyên tố yttrium và scandium.

Những nguyên tố giá trị nhất trong số này là neodymium, praseodymium, terbium và dysprosium, đóng vai trò như nam châm thu nhỏ siêu mạnh, một thành phần trọng yếu của các thiết bị điện tử như smartphone, pin xe điện và turbine gió. Tuy nhiên, nguồn cung hạn chế của đất hiếm là mối lo ngại lớn với các công ty và chính phủ khi sản xuất những thứ thiết yếu thời hiện đại.

Đất hiếm thực chất không quá hiếm. Theo nghiên cứu của Cơ quan Khảo sát Địa chất Mỹ (USGS) về sự dồi dào tinh thể của các nguyên tố khác nhau (mức độ sẵn có nếu tính trung bình lớp vỏ Trái Đất), phần lớn đất hiếm có cùng số lượng với các kim loại thông dụng như đồng và kẽm. “Chúng chắc chắn không hiếm bằng những kim loại như bạc, vàng, bạch kim”, Aaron Noble, giáo sư tại Đại học Bách khoa Virginia, cho biết.

Tuy nhiên, việc khai thác chúng từ các nguồn tự nhiên cực kỳ khó khăn. “Vấn đề là chúng không tập trung ở một nơi. Có khoảng 300 milligram đất hiếm trong mỗi kg đá phiến sét trên khắp nước Mỹ”, Paul Ziemkiewicz, giám đốc Viện Nghiên cứu Nước Tây Virginia, nói.

Thông thường, các kim loại tập trung trong vỏ Trái Đất do những quá trình địa chất khác nhau, ví dụ dòng chảy dung nham, hoạt động thủy nhiệt và sự hình thành núi. Tuy nhiên, tính chất hóa học khác thường của các nguyên tố đất hiếm khiến chúng thường không tập trung với nhau trong những điều kiện đặc biệt này. Dấu vết đất hiếm rải rác khắp hành tinh, khiến việc khai thác chúng trở nên kém hiệu quả.

Đôi khi, những môi trường giàu axit dưới lòng đất có thể làm tăng nhẹ lượng nguyên tố đất hiếm ở một số địa điểm nhất định. Tuy nhiên, việc tìm ra những địa điểm này mới chỉ là thách thức đầu tiên.

Ngoài tự nhiên, kim loại tồn tại dưới dạng hỗn hợp gọi là quặng, chứa những phân tử kim loại liên kết với chất phi kim khác (phản ion) bằng liên kết ion mạnh. Để thu được kim loại nguyên chất, người ta phải phá vỡ những liên kết này và loại bỏ chất phi kim. Độ khó của công việc phụ thuộc vào kim loại và chất phi kim mà chúng liên kết.

“Quặng đồng thường xuất hiện dưới dạng sulfide (chất hóa học gồm lưu huỳnh và nguyên tố khác). Bạn nung nóng quặng đến mức đẩy sulfide thoát ra dưới dạng khí và đồng nguyên chất rơi xuống đáy lò phản ứng. Đó là quá trình chiết xuất khá dễ dàng. Một số loại khác, ví dụ như oxit sắt, cần chất phụ gia để giải phóng kim loại. Nhưng việc tách đất hiếm phức tạp hơn nhiều”, Ziemkiewicz giải thích.

Các kim loại đất hiếm có ba điện tích dương và hình thành liên kết ion cực mạnh với các phản ion phosphate, mỗi phản ion có ba điện tích âm. Do đó, quá trình tách chiết phải vượt qua sự liên kết cực kỳ chắc chắn giữa kim loại dương và phosphate âm.

“Quặng đất hiếm là những khoáng vật rất ổn định về mặt hóa học, cần phải tốn nhiều năng lượng và sức mạnh hóa học để phá vỡ chúng. Thông thường, quá trình đó đòi hỏi độ pH cực thấp, các điều kiện khắc nghiệt và nhiệt độ cực cao vì những liên kết trong quặng vô cùng bền chắc”, Noble nói.

Sự khó khăn trong việc tách chiết nguyên tố tinh khiết đã mang lại tên gọi “đất hiếm”. Một số chuyên gia đang nghiên cứu các phương pháp mới để tái chế và chiết xuất những kim loại giá trị này từ rác thải công nghiệp và đồ điện tử cũ nhằm giảm áp lực lên nguồn cung hiện tại. Họ cũng thử tái tạo những đặc điểm từ tính và điện tử đặc biệt của đất hiếm trong các hợp chất mới với hy vọng các hợp chất mới này sẽ trở thành giải pháp thay thế dễ tiếp cận hơn. Tuy nhiên, hiện chưa có nguồn thay thế hiệu quả nào cho đất hiếm, bất chấp nhu cầu tăng cao.

Hoahocngaynay.com

Nguồn: VnExpress.net/Live Science

The post Đất hiếm thực chất hiếm đến mức nào? first appeared on HÓA HỌC NGÀY NAY.

KỲ 1: HIỆN TRẠNG SẢN XUẤT, TIÊU THỤ VÀ DỰ BÁO CUNG, CẦU VỀ THAN

Tóm tắt:

Diễn đàn Hợp tác Kinh tế châu Á – Thái Bình Dương (APEC) bao gồm 21 nền kinh tế thành viên, là nơi sinh sống của gần 3 tỷ người và chiếm 60% GDP toàn cầu. Các nền kinh tế APEC có thế mạnh về nguồn cung cấp năng lượng sơ cấp, đặc biệt là than. Các hoạt động xuất khẩu năng lượng đã góp phần vào phát triển kinh tế ở một số nền kinh tế trong khu vực.

Trong khi các thành viên APEC cam kết mạnh mẽ để đạt được các mục tiêu biến đổi khí hậu trong những thập kỷ tới, cuộc khủng hoảng an ninh năng lượng gần đây đang chuyển trọng tâm chính sách sang đảm bảo an ninh nguồn cung cấp năng lượng.

Mặc dù điện từ năng lượng tái tạo đã tăng nhanh trong những năm gần đây, nhưng nhiệt điện than vẫn là nguồn cung cấp điện ổn định, đáp ứng nhu cầu của các phụ tải nền. Phát triển các nhà máy nhiệt điện khí là một trong những lựa chọn của một số nền kinh tế APEC trong giai đoạn chuyển đổi. Tuy nhiên, nó đòi hỏi vốn đầu tư lớn cho cơ sở hạ tầng liên quan đến điện khí (bao gồm cả hạ tầng nhập khí hóa lỏng). Cải thiện hiệu suất nhiệt và đồng đốt amoniac tại các nhà máy nhiệt điện than hiện có kết hợp với công nghệ thu giữ và lưu trữ CO2 (CCS – Carbon Capture and Storage) được kỳ vọng là những phương án khả thi. Hơn nữa, sử dụng than theo những cách khác nhau, chẳng hạn như sản xuất hydro và các sản phẩm từ than kết hợp với CCS sẽ được coi như các công nghệ chuyển tiếp.

Tình hình tiêu thụ than:

Tiêu thụ than toàn khối APEC đã tăng 1,7 lần trong hai thập kỷ qua (2001 – 2021), đạt mức cao nhất là 123 exajoules (EJ) vào năm 2014, tương đương 4.365 triệu tấn than chuẩn (tce). Năm 2021, mức tiêu thụ than toàn APEC tăng khoảng 5% so với mức năm 2020, đạt 120 EJ, gần với mức tiêu thụ than cao nhất vào năm 2014 (xem hình 1).

Hình 1: Tiêu thụ than trong APEC theo phân vùng. Nguồn: Tổng hợp của tác giả dựa trên số liệu từ BP (2022).

Động lực chính thúc đẩy tiêu thụ than tăng cao là sự phục hồi kinh tế toàn cầu sau đại dịch Covid-19 và giá khí tự nhiên cao. Trung Quốc – nước tiêu thụ than lớn nhất trong APEC và thế giới, vẫn tăng tiêu thụ than để phát triển kinh tế. Năm 2021, lượng than tiêu thụ của Trung Quốc chiếm khoảng 71% tổng lượng than tiêu thụ toàn APEC. Hoa Kỳ tiêu thụ khoảng 9%, trong khi tiêu thụ than của Nga chiếm khoảng 3%.

Khu vực APEC Đông Bắc Á (gồm Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan, Hồng Kông) chiếm 8% tổng lượng than tiêu thụ của APEC năm 2021 (chủ yếu là Nhật Bản và Hàn Quốc).

Các nền kinh tế APEC Đông Nam Á chiếm 6,6% lượng than tiêu thụ của APEC. Indonesia tiêu thụ than nhiều nhất, tiếp theo là Việt Nam. Malaysia, Philippines và Thái Lan có tỷ lệ tiêu thụ than tương tự nhau.

APEC châu Đại Dương (bao gồm Úc, New Zealand) chiếm 1,4% lượng tiêu thụ than toàn APEC. Úc tiêu thụ trên 95% lượng than tiêu thụ ở khu vực APEC châu Đại Dương.

Còn các quốc gia APEC châu Mỹ khác (bao gồm Canada, Chile, Mexico, Peru) tiêu thụ ít hơn 1% tổng lượng than tiêu thụ của toàn APEC.

Sản xuất than:

Sản xuất than toàn APEC tăng khoảng 1,9 lần trong giai đoạn 2001 – 2021 để đáp ứng nhu cầu về năng lượng cho tăng trưởng kinh tế. Năm 2021, sản lượng than của APEC đạt kỷ lục cao nhất mọi thời đại là 136,2 EJ, tăng 6,1% so với năm trước (xem hình 2).

Trung Quốc – quốc gia khai thác than lớn nhất trong APEC và thế giới, đã khai thác 85,1 EJ, chiếm khoảng 63% sản lượng than của toàn APEC vào năm 2021. Mặc dù phần lớn sản lượng than của Trung Quốc đã được khai thác trong nước, nhưng vẫn thấp hơn so với nhu cầu thực tế 1 EJ khiến quốc gia này vẫn phải nhập khẩu than.

Các nước APEC Đông Nam Á khai thác 16,4 EJ vào năm 2021, chiếm 12,5% tổng sản lượng than của APEC. Indonesia thống trị thị trường khai thác than của khu vực trong nhiều thập kỷ, trong đó 57% sản lượng than giành cho xuất khẩu vào năm 2021.

Các nước thuộc APEC châu Đại Dương sản xuất 12,5 EJ, chiếm 9,2% sản lượng than của APEC vào năm 2021, trong khi các quốc gia APEC châu Mỹ khác chiếm ít hơn 1%.

Hoa Kỳ, Nga là nhà sản xuất than thứ tư và thứ năm vào năm 2021, chiếm lần lượt là 8,5% và 6,7% sản lượng than của APEC.

Hình 2: Sản xuất than trong APEC theo phân vùng. Nguồn: Tổng hợp của tác giả dựa trên số liệu từ BP (2022).

Dự báo tiêu thụ và sản xuất than:

Các kịch bản dự báo:

Dự báo nhu cầu và sản xuất than đến năm 2050 trong bài này được trích từ ấn phẩm “Triển vọng cung và cầu năng lượng APEC” (tái bản lần thứ 8), do tác giả và các cộng sự tại Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng châu Á – Thái Bình Dương thực hiện (APEC Outlook – 2022).

Dự báo bao gồm hai kịch bản: (1) kịch bản Reference (REF) và (2) kịch bản Carbon Neutrality (CN). Kịch bản REF phân tích các xu hướng gần đây trong tiêu thụ, khai thác và xuất nhập khẩu năng lượng của APEC để đưa ra dự báo xu hướng năng lượng. Kịch bản CN sẽ xem xét các lộ trình giả định cho từng nền kinh tế thành viên APEC tiến tới trung hòa carbon trong các lĩnh vực năng lượng.

Kịch bản CN xem xét các giả định bổ sung như: Tăng mức độ hiệu quả năng lượng, thay đổi hành vi, chuyển đổi nhiên liệu, triển khai công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (CCS). Các lộ trình được xây dựng dựa trên các đặc điểm riêng, chính sách năng lượng và điểm xuất phát của từng nền kinh tế. Kịch bản CN không xem xét các biện pháp phát thải âm (như trồng rừng, hoặc công nghệ như thu giữ CO2 trực tiếp từ khí quyển).

Dự báo tiêu thụ than đến năm 2050:

Mặc dù tiêu thụ than trong APEC đã tăng vào năm 2021, nhưng trong dài hạn nhu cầu về than được dự báo sẽ giảm trong những thập kỷ tới (xem hình 3). Đối với than nhiệt, tốc độ giảm sẽ nhanh hơn khi thế giới hướng đến mục tiêu giảm nhanh lượng phát thải CO2 từ các nguồn phát thải lớn như các nhà máy nhiệt điện, các nhà máy công nghiệp nặng. Nhu cầu than luyện kim nhìn chung vẫn sẽ duy trì ở mức gần bằng với hiện nay và giảm nhẹ.

Các chính sách giảm dần và loại bỏ than đã được củng cố dựa trên các cam kết của các nhà lãnh đạo các nền kinh tế APEC vào năm 2021. Chín (9) nền kinh tế APEC đã ký “Tuyên bố chung toàn cầu về việc chuyển đổi từ than sang năng lượng sạch” tại COP26 ở Glasgow, trong đó cam kết sẽ không xây dựng nhiệt điện than mới nào từ những năm 2030, hoặc 2040 tùy thuộc vào tình hình kinh tế của từng quốc gia.

Tuy nhiên, cho dù tiêu thụ than của APEC dự báo giảm 1/3 vào năm 2050 so với mức tiêu thụ năm 2018, than vẫn sẽ được sử dụng nhiều vào trong kịch bản REF. Cụ thể, nhu cầu tiêu thụ than dự báo vẫn đạt gần 72 EJ vào năm 2050 và được sử dụng chủ yếu trong ngành điện và công nghiệp.

Tại kịch bản CN, lượng than tiêu thụ được dự báo giảm gần 80% vào năm 2050 so với mức của năm 2018 và chủ yếu giảm ở lĩnh vực sản xuất điện. Tuy vậy, nhu cầu về than trong lịch bản này vẫn là 25,4 EJ vào năm 2050.

Hình 3: Dự báo tiêu thụ than đến năm 2050. Nguồn: Tổng hợp của tác giả dựa trên số liệu từ EGEDA (2021) và APEC Outlook (2022).

Dự báo sản xuất than đến năm 2050:

Sản xuất than toàn APEC dự báo sẽ giảm trong những thập kỷ tới (xem hình 4). Mức độ giảm trong sản xuất than nhiệt diễn ra với tốc độ nhanh hơn so với than luyện kim. Sự khác biệt về mức độ giảm là do nhiều nền kinh tế APEC đang triển khai các chiến lược chuyển đổi nhiên liệu (từ than sang khí và năng lượng tái tạo) để đạt được mức giảm phát thải lớn hơn trong lĩnh vực sản xuất điện. Tuy nhiên, chuyển đổi nhiên liệu là khó khả thi đối với các hộ tiêu thụ than luyện kim.

Trong kịch bản REF, sản lượng than khai thác của APEC giảm 1/3 trong giai đoạn dự báo (2018 – 2050), từ 130 EJ vào năm 2018 xuống còn 86,3 EJ vào năm 2050. Sự biến động sản lượng than về cơ bản sẽ phụ thuộc vào nhu cầu than của từng giai đoạn.

Trong kịch bản CN, lượng than sản xuất của APEC giảm gần 80% trong giai đoạn 2018 – 2030, giảm xuống còn gần 30 EJ vào năm 2050. Các giả định về chính sách loại bỏ dần than, tăng năng lượng tái tạo, chuyển đổi nhiên liệu và công nghệ đốt than phát thải CO2 thấp được kỳ vọng nhiều hơn trong kịch bản này đối với hầu hết các nền kinh tế APEC. Kịch bản này có thể trở thành hiện thực, vì 19 trong số 21 nền kinh tế trong APEC đã cam kết phát thải ròng bằng “0”, hoặc trung hòa carbon vào giữa, hoặc nửa sau của thế kỷ này (trừ Mexico. Philippines chưa có cam kết chính thức).

Trong cả 2 kịch bản, sản lượng than nhiệt được dự báo giảm nhanh hơn so với sản lượng than luyện kim trong trung và dài hạn. Điều này là do nhu cầu sản xuất thép vẫn cao trong những thập kỷ tới và ngành thép vẫn dựa vào than luyện kim là chính. Các công nghệ sản xuất thép mà không dựa vào than luyện kim có thể khả thi trong tương lai gần. Tuy nhiên, hầu hết các giải pháp thay thế này chưa sẵn sàng ở quy mô lớn cho đến sau năm 2030.

Hình 4: Dự báo sản lượng than khai thác đến năm 2050. Nguồn: Tổng hợp của tác giả dựa trên số liệu từ EGEDA (2021) và APEC Outlook (2022).

Kỳ tới: Các xu hướng sử dụng than trong tương lai

Hoahocngaynay.com

Nguồn: Tạp chí Năng lượng Việt Nam

TS. PHÙNG QUỐC HUY – TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU NĂNG LƯỢNG CHÂU Á – THÁI BÌNH DƯƠNG (APERC)

Tài liệu tham khảo:

1/ ACE (2021) Challenges and Implications of Coal Phase-Down to the ASEAN Energy Landscape. https://aseanenergy.org/challenges-and-implicationsof-coal-phase-down-to-the-asean-energy-landscape/

2/ APEC Outlook (2022), Asia-Pacific Energy Research Centre (APERC), APEC Energy Demand and Supply Outlook 8th Edition 2022.

3/ BP (2021), BP Statistical Review of World Energy, 70th edition. http://www.bp.com/statisticalreview

4/ Chiyoda Corporation, https://www.chiyodacorp.com/en/service/environment/coal-gas/

5/ Earth Resource, https://earthresources.vic.gov.au/projects/carbonnet-project/what-is-ccs/benefits-of-ccs

6/ EGEDA – Expert Group on Energy Data Analysis, APEC Energy Working Group, (2021), APEC Energy Database. https://www.egeda.ewg.apec.org/egeda/database_info/index.html

7/ Global CCS Institute (2021). The Global Status of CCS Report 2021. https://www.globalccsinstitute.com/resources/

8/ JERA group, 2022, https://www.jera.co.jp/english/information/20220531_917

9/ NETL – National Energy Technology Laboratory (2022), Rare earth elements and critical minerals.

10/ https://netl.doe.gov/sites/default/files/2022-02/Program-141.pdf

11/ METI Journal, https://www.meti.go.jp/english/publications/pdf/journal2013_10a.pdf

12/ SP Global, 2022, https://www.spglobal.com/commodityinsights/en/market-insights/podcasts/focus/091422-used-cooking-oil-uco-biodiesel-saf-sustainable-aviation-fuel-palm-oil-hvo

13/ HESC, Hydrogen Energy Supply Chain Project, https://www.hydrogenenergysupplychain.com/

14/ World Coal Association, https://www.worldcoal.org/coal-facts/other-uses-of-coal/

The post Than đá trong chuyển dịch năng lượng [kỳ 1]: Hiện trạng và dự báo cung, cầu than first appeared on HÓA HỌC NGÀY NAY.

Mặc dù có nhiều trên trái đất dưới dạng một nguyên tố, nhưng hydro hầu như luôn được tìm thấy dưới dạng một phần của hợp chất khác, chẳng hạn như nước (H2O), hoặc metan (CH4) và nó phải được tách thành hydro tinh khiết (H2) để sử dụng như dùng cho xe điện chạy bằng pin nhiên liệu. Nhiên liệu hydro kết hợp với oxy từ không khí thông qua pin nhiên liệu tạo ra điện và nước qua quá trình điện hóa. Hydro có thể được sản xuất từ các nguồn tài nguyên đa dạng, như nhiên liệu hóa thạch, sinh khối và điện phân nước bằng điện. Tác động môi trường và hiệu quả năng lượng của hydro phụ thuộc vào cách nó được sản xuất.

Tiêu chuẩn hydro sạch là phát thải 2 kg CO2e/kg H2 đã được Văn phòng Công nghệ pin nhiên liệu và hydro (Hoa Kỳ) công bố dựa trên Luật Cơ sở hạ tầng Lưỡng đảng. Tiêu chuẩn này là một cách để áp dụng định nghĩa hydro sạch độc lập với công nghệ. Thách thức chính đối với sản xuất hydro là giảm chi phí công nghệ sản xuất để làm cho chi phí hydro thu được có thể cạnh tranh với nhiên liệu vận chuyển thông thường.

Dưới đây là những công nghệ sản xuất hydro phổ biến nhất hiện nay:

1. Reforming/khí hóa khí thiên nhiên:

(Natural Gas Reforming/Gasification) – hỗn hợp của hydro, carbon monoxide và một lượng nhỏ carbon dioxide được tạo ra bằng cách phản ứng của khí tự nhiên với hơi nước ở nhiệt độ cao (700°C – 1.000°C). Carbon monoxide phản ứng với nước để tạo ra thêm hydro. Phương pháp này là rẻ nhất, hiệu quả nhất và phổ biến nhất.

Khí tổng hợp cũng có thể được tạo ra bằng cách cho than, hoặc sinh khối phản ứng với hơi nước và oxy ở nhiệt độ cao trong lò khí hóa điều áp. Điều này chuyển đổi than, hoặc sinh khối thành các thành phần khí – một quá trình được gọi là khí hóa (Gasification). Khí tổng hợp thu được chứa hydro và carbon monoxide, được phản ứng với hơi nước để tách hydro.

Reforming khí thiên nhiên (Natural gas reforming – NGR) là một quy trình sản xuất tiên tiến và chín muồi được xây dựng dựa trên cơ sở hạ tầng cung cấp đường ống dẫn khí đốt tự nhiên hiện có. Hiện nay, 95% hydro được sản xuất tại Hoa Kỳ là bằng công nghệ này trong các nhà máy, trung tâm lớn. Đây là một quy trình trình công nghệ quan trọng để sản xuất hydro trong thời gian ngắn.

– Reforming hơi nước – Methane (Steam – Methane Reforming):

Đây là một quy trình sản xuất đã được chứng minh là chín muồi, trong đó, hơi nước ở nhiệt độ cao (700°C – 1.000°C) được sử dụng để sản xuất hydro từ nguồn khí mêtan (chẳng hạn như khí tự nhiên). Trong reforming (hiểu đơn giản là tái sinh) hơi nước – metan, khí metan phản ứng với hơi nước dưới áp suất 3 – 25 bar (1 bar = 14,5 psi) với sự có mặt của chất xúc tác để tạo ra hydro, carbon monoxide và một lượng carbon dioxide tương đối nhỏ. Quá trình tái sinh hơi nước là quá trình thu nhiệt – tức là nhiệt phải được cung cấp cho quá trình để phản ứng diễn ra.

Sau đó, trong cái được gọi là “phản ứng dịch chuyển nước – khí”, carbon monoxide và hơi nước được phản ứng bằng cách sử dụng chất xúc tác để tạo ra carbon dioxide và nhiều hydro hơn. Trong bước quy trình cuối cùng được gọi là “hấp phụ dao động áp suất”, carbon dioxide và các tạp chất khác được loại bỏ khỏi dòng khí, để lại hydro tinh khiết. Reforming hơi nước cũng có thể được sử dụng để sản xuất hydro từ các loại nhiên liệu khác (chẳng hạn như ethanol, propan, hoặc thậm chí là xăng).

Phản ứng reforming hơi nước – metan: CH4 + H2O (+ nhiệt) → CO + 3H2.

Phản ứng dịch chuyển nước – khí: CO + H2O → CO2 + H2 (+ lượng nhiệt nhỏ).

– Oxy hóa một phần (Partial Oxidation):

Trong quá trình oxy hóa một phần, metan và các hydrocacbon khác trong khí tự nhiên phản ứng với một lượng oxy hạn chế (thường là từ không khí) không đủ để oxy hóa hoàn toàn các hydrocacbon thành carbon dioxide và nước. Với ít hơn lượng oxy cân bằng hóa học có sẵn, các sản phẩm phản ứng chứa chủ yếu là hydro, carbon monoxide (và nitơ, nếu phản ứng được thực hiện với không khí chứ không phải oxy nguyên chất), và một lượng tương đối nhỏ carbon dioxide cùng các hợp chất khác. Sau đó, trong phản ứng dịch chuyển nước – khí, carbon monoxide phản ứng với nước để tạo thành carbon dioxide và nhiều hydro hơn.

Quá trình oxy hóa phần là một quá trình tỏa nhiệt. Thông thường, quá trình này nhanh hơn nhiều so với cải cách hơi nước và yêu cầu bình phản ứng nhỏ hơn. Như có thể thấy trong các phản ứng hóa học của quá trình oxy hóa một phần, quá trình này ban đầu tạo ra ít hydro hơn trên mỗi đơn vị nhiên liệu đầu vào so với quá trình tái tạo hơi nước của cùng một loại nhiên liệu.

Phản ứng oxy hóa phần metan: CH4 + ½O2 → CO + 2H2 (+ nhiệt).

Phản ứng dịch chuyển nước – khí: CO + H2O → CO2 + H2 (+ lượng nhiệt nhỏ).

Reforming khí tự nhiên với chi phí thấp có thể cung cấp hydro ngày nay cho các phương tiện chạy bằng pin nhiên liệu (FCEV), cũng như các ứng dụng khác. Về lâu dài, DoE hy vọng, việc sản xuất hydro từ khí tự nhiên sẽ được tăng cường với sản xuất từ năng lượng tái tạo, hạt nhân, than đá (có thu hồi, lưu trữ carbon) và các nguồn năng lượng trong nước có hàm lượng carbon thấp khác.

Tiêu tốn nhiên liệu hydro và khí thải phát ra thấp hơn so với xe động cơ đốt trong chạy bằng xăng. Sản phẩm duy nhất từ ống xả FCEV là hơi nước, nhưng tổng lượng khí thải nhà kính đã giảm một nửa và tiêu thụ nhiên liệu giảm hơn 90% so với xe chạy xăng ngày nay.

2. Công nghệ điện phân:

Dòng điện phân ly nước thành hydro và oxy. Nếu điện được sản xuất bởi các nguồn tái tạo (chẳng hạn như năng lượng gió, mặt trời), thì hydro thu được cũng sẽ được coi là tái tạo. Các dự án chuyển đổi năng lượng thành hydro hiện đang sôi động, sử dụng điện năng tái tạo dư thừa (nếu có) để tạo ra hydro thông qua quá trình điện phân.

Công nghệ điện phân (Electrolysis) là một lựa chọn đầy hứa hẹn để sản xuất hydro không có carbon từ các nguồn năng lượng tái tạo và hạt nhân. Đây thực chất là quá trình sử dụng điện để tách nước thành hydro và oxy trong một thiết bị gọi là máy điện phân. Máy điện phân có thể có kích thước từ thiết bị nhỏ, cỡ thiết bị rất phù hợp để sản xuất hydro phân tán quy mô nhỏ đến các cơ sở sản xuất trung tâm, quy mô lớn có thể được liên kết trực tiếp với các nguồn điện tái tạo.

Giống như pin nhiên liệu, máy điện phân bao gồm cực dương và cực âm được ngăn cách bởi chất điện phân. Các máy điện phân khác nhau hoạt động theo những cách khác nhau, chủ yếu là do loại vật liệu điện phân khác nhau có liên quan và loại ion mà nó tiến hành.

– Máy điện phân dùng màng điện phân polymer:

Trong máy điện phân màng điện phân polymer (Polymer Electrolyte Membrane Electrolyzers, hay PEM), chất điện phân là vật liệu nhựa đặc biệt thể rắn. Nước phản ứng ở cực dương để tạo thành oxy và các ion hydro tích điện dương (proton). Các electron chạy qua một mạch bên ngoài và các ion hydro di chuyển có chọn lọc qua PEM đến cực âm. Ở cực âm, các ion hydro kết hợp với các electron từ mạch ngoài để tạo thành khí hydro.

Phản ứng cực dương: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-.

Phản ứng cực âm: 4H+ + 4e- → 2H2.

– Máy điện phân kiềm:

Máy điện phân kiềm hoạt động thông qua việc vận chuyển các ion hydroxit (OH-) qua chất điện phân từ cực âm sang cực dương với hydro được tạo ra ở phía cực âm. Máy sử dụng dung dịch kiềm lỏng của natri, hoặc kali hydroxit làm chất điện phân đã có mặt trên thị trường trong nhiều năm. Các phương pháp mới hơn sử dụng màng trao đổi kiềm rắn (AEM) làm chất điện phân đang cho thấy nhiều hứa hẹn ở quy mô phòng thí nghiệm.

– Máy điện phân oxit rắn:

Máy điện phân oxit rắn, sử dụng vật liệu gốm rắn làm chất điện phân dẫn điện có chọn lọc các ion oxy tích điện âm (O2-) ở nhiệt độ cao, tạo ra hydro theo một cách hơi khác.

Hơi nước ở cực âm kết hợp với các electron từ mạch ngoài để tạo thành khí hydro và các ion oxy tích điện âm. Các ion oxy đi qua màng gốm rắn và phản ứng ở cực dương để tạo thành khí oxy và tạo ra các electron cho mạch ngoài.

Máy điện phân oxit rắn phải hoạt động ở nhiệt độ đủ cao để màng oxit rắn hoạt động bình thường (khoảng 700° – 800°C, so với máy điện phân PEM hoạt động ở nhiệt độ 70° – 90°C và máy điện phân kiềm thương mại thường hoạt động ở nhiệt độ dưới 100°C). Máy điện phân oxit rắn tiên tiến ở quy mô phòng thí nghiệm dựa trên chất điện phân gốm dẫn proton đang cho thấy triển vọng giảm nhiệt độ vận hành xuống 500° – 600°C. Máy điện phân kiểu này có thể sử dụng hiệu quả nhiệt có sẵn ở những nhiệt độ cao này (từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cả năng lượng hạt nhân) để giảm lượng điện năng cần thiết để sản xuất hydro từ nước.

Điện phân là con đường sản xuất hydro hàng đầu để đạt được mục tiêu Hydrogen Energy Earthshot là giảm 80% chi phí hydro sạch xuống còn 1 USD/1 kg trong 1 thập kỷ. Hydrogen Energy Earthshot là sáng kiến ​​của DoE nhằm đẩy nhanh các bước đột phá về các giải pháp năng lượng sạch dồi dào, có thể chi trả và đáng tin cậy hơn trong thập kỷ này.

Hydro được sản xuất thông qua quá trình điện phân không phát thải khí nhà kính, tùy thuộc vào nguồn điện được sử dụng. Nguồn điện cần thiết – bao gồm cả chi phí và hiệu quả, cũng như lượng khí thải do phát điện phải được xem xét khi đánh giá lợi ích và khả năng kinh tế của việc sản xuất hydro thông qua quá trình điện phân.

Ở nhiều vùng của Hoa Kỳ, lưới điện ngày nay không lý tưởng để cung cấp điện cần thiết cho quá trình điện phân do khí nhà kính thải ra và lượng nhiên liệu cần thiết cho quá trình phát điện. Vì vậy, sản xuất hydro thông qua điện phân đang được kỳ vọng cho các lựa chọn năng lượng tái tạo (gió, mặt trời, thủy điện, địa nhiệt) và năng lượng hạt nhân. Các con đường sản xuất hydro này dẫn đến lượng khí thải nhà kính và chất gây ô nhiễm tiêu chí gần như bằng không. Tuy nhiên, chi phí sản xuất cần phải giảm thêm để có thể cạnh tranh với các phương pháp reforming khí tự nhiên.

Sản xuất hydro thông qua quá trình điện phân có thể mang lại cơ hội cho việc phát điện không ổn định và không liên tục, vốn là đặc điểm của một số công nghệ năng lượng tái tạo. Ví dụ, mặc dù chi phí năng lượng gió tiếp tục giảm, nhưng sự thay đổi vốn có của gió là một trở ngại cho việc sử dụng hiệu quả năng lượng gió. Nhiên liệu hydro và sản xuất điện có thể được tích hợp tại một trang trại gió, cho phép linh hoạt chuyển đổi sản xuất để phù hợp nhất với nguồn tài nguyên sẵn có với nhu cầu vận hành hệ thống và các yếu tố thị trường.

Ngoài ra, trong thời gian sản xuất điện dư thừa từ các trang trại gió, thay vì cắt giảm lượng điện như thường được thực hiện, có thể sử dụng lượng điện dư thừa này để sản xuất hydro thông qua quá trình điện phân.

3. Reforming chất lỏng có nguồn gốc từ sinh khối:

Chất lỏng có nguồn gốc từ các nguồn sinh khối – bao gồm etanol và dầu sinh học có thể được chuyển hóa để sản xuất hydro trong một quy trình tương tự như reforming khí tự nhiên. Các chất lỏng có nguồn gốc từ sinh khối có thể được vận chuyển dễ dàng hơn so với nguyên liệu sinh khối của chúng, cho phép sản xuất bán trung tâm, hoặc có thể sản xuất hydro phân tán tại các trạm tiếp nhiên liệu.

Quá trình reforming chất lỏng có nguồn gốc từ sinh khối thành hydro rất giống với quá trình reforming khí tự nhiên và bao gồm các bước sau:

Nhiên liệu lỏng được phản ứng với hơi nước ở nhiệt độ cao với sự có mặt của chất xúc tác để tạo ra khí tổng hợp, bao gồm chủ yếu là hydro, carbon monoxide và một số carbon dioxide. Hydro và carbon dioxide bổ sung được tạo ra bằng cách phản ứng carbon monoxide (được tạo ra ở bước đầu tiên) với hơi nước ở nhiệt độ cao trong “phản ứng dịch chuyển nước – khí”. Cuối cùng, hydro được tách ra và tinh chế.

Phản ứng reforming hơi nước (ethanol): C2H5OH + H2O (+ nhiệt) → 2CO + 4H2.

Phản ứng dịch chuyển nước – khí: CO + H2O → CO2 + H2 (+ lượng nhiệt nhỏ).

Tại Hoa Kỳ, có nhiều sinh khối hơn mức cần thiết cho nhu cầu thực phẩm và thức ăn chăn nuôi. Một báo cáo gần đây dự đoán rằng: Với những cải tiến dự kiến trong thực hành nông nghiệp và nhân giống cây trồng, có thể có tới 1 tỷ tấn sinh khối khô để sử dụng làm năng lượng hàng năm. Điều này tương đương với tiềm năng khoảng 13 – 14 triệu tỷ Btu/năm (vào năm 2030). Sinh khối có tiềm năng trở thành nguồn đóng góp chính cho năng lượng tái tạo.

4. Chuyển đổi sinh khối vi sinh vật:

Sinh khối được chuyển đổi thành nguyên liệu giàu đường có thể được lên men để tạo ra hydro. Các quá trình chuyển đổi sinh khối vi sinh vật (Microbial biomass conversion) tận dụng khả năng tiêu thụ và tiêu hóa sinh khối của vi sinh vật và giải phóng hydro. Tùy thuộc vào lộ trình, nghiên cứu này có thể dẫn đến các hệ thống quy mô thương mại trong khung thời gian trung và dài hạn.

Trong các hệ thống dựa trên quá trình lên men, các vi sinh vật, chẳng hạn như vi khuẩn, phân hủy chất hữu cơ để tạo ra hydro. Chất hữu cơ có thể là đường tinh chế, nguồn sinh khối thô như thân cây ngô và thậm chí cả nước thải. Bởi vì không cần ánh sáng, những phương pháp này đôi khi được gọi là phương pháp “lên men tối”.

Trong quá trình lên men hydro trực tiếp, vi khuẩn tự tạo ra hydro. Những vi khuẩn này có thể phá vỡ các phân tử phức tạp thông qua nhiều con đường khác nhau và các sản phẩm phụ của một số con đường có thể được kết hợp bởi các enzym để tạo ra hydro. Các nhà khoa học đang nghiên cứu cách làm cho hệ thống lên men tạo ra hydro nhanh hơn (cải thiện tốc độ) và tạo ra nhiều hydro hơn từ cùng một lượng chất hữu cơ (tăng sản lượng).

Pin điện phân vi sinh vật (MEC) là thiết bị khai thác năng lượng và proton do vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ tạo ra, kết hợp với một dòng điện nhỏ bổ sung, để tạo ra hydro. Công nghệ này rất mới và các nhà nghiên cứu đang nỗ lực cải thiện nhiều khía cạnh của hệ thống, từ việc tìm kiếm vật liệu chi phí thấp hơn đến việc xác định loại vi khuẩn hiệu quả nhất để sử dụng.

Sinh khối là một nguồn tài nguyên dồi dào và nhiều vi khuẩn đã tiến hóa để phân hủy hiệu quả sinh khối để tạo ra hydro và các sản phẩm khác. Quá trình lên men đã được sử dụng như một công nghệ công nghiệp để tạo ra nhiên liệu sinh học và các sản phẩm khác, đồng thời nhiều thách thức đối với việc mở rộng hệ thống đã được giải quyết cho các sản phẩm khác nhau, cho phép các nhà nghiên cứu hydro tập trung vào những thách thức riêng đối với sản xuất hydro. Các hệ thống dựa trên MEC có khả năng sản xuất hydro từ các nguồn tài nguyên không thể sử dụng để sản xuất nhiên liệu và có thể giảm lượng lớn năng lượng thường cần để xử lý nước thải trong khi tạo ra nhiên liệu có giá trị ở dạng hydro.

Hiện nay các cải thiện tốc độ và sản lượng sản xuất hydro từ quá trình lên men thông qua một số phương pháp như cải tiến chủng vi sinh vật, tối ưu hóa hệ thống lò phản ứng, xác định nguồn nguyên liệu và phương pháp xử lý đang được nghiên cứu để nâng cao năng suất phù hợp cho mục đích thương mại quy mô lớn./.

Hoahocngaynay.com

Nguồn: Tạp chí Năng lượng Việt Nam/AFDC/EG – 6/2023

Link tham khảo:

1/ https://afdc.energy.gov/fuels/hydrogen_production.html

2/ https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-natural-gas-reforming

3/ https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-biomass-derived-liquid-reforming

4/ https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-biomass-derived-liquid-reforming

5/ https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-microbial-biomass-conversion

The post Những công nghệ sản xuất hydro phổ biến nhất hiện nay first appeared on HÓA HỌC NGÀY NAY.