Hiện nay các nhà khoa học đang phát triển công nghệ mới đó là việc sử dụng CO2 làm nguyên liệu để tạo nên những hợp chất hóa học
Vào 9/5 khí quyển carbon dioxide vượt mức 400 ppm ở Mauna Loa , xuất hiện lần đầu tiên tại Haiwaii vào năm 1958 với mức cao hơn 280 ppm việc này xảy ra trước cuộc cách mạng Công nghiệp thế kỷ 19. Scripps cho biết hiện nay ti lệ lượng tăng gấp 100 lần so với thời kỳ băng hà .
Những nỗ lực trong việc ngăn trặn dòng chảy của hiệu ứng nhà kính vào khí quyển đang được các quốc gia trên thế giới ưu tiên ,dấn đến có nhiều dự án R&D đã được đầu tư trong việc thu giữ và ngưng tụ carbon – CCS (carbon capture and storage ). Thủ phạm chính gây ra chính là việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch trong việc sản xuất điện hoặc sản xuất xi măng, phương pháp CCS được thực hiện trong vòng 20 năm qua chỉ tập trung chủ yếu lượng khí thải của các nhà máy và được sử dụng để bơm vào lòng đất hoặc giếng khoan nhằm mục đích tạo áp lực trong việc tăng cường thu hồi dầu (được gọi là EOR – enhanced oil recovery ).
Gần đây hơn, một hướng nghiên cứu R& D khác có tính đột phá trong việc thu hồi và sử dụng carbon (CCU- carbon capture and utilization), theo đó thu được từ khí thải được sử dụng làm nguyên liệu để làm hóa chất (như polymer, methanol và lượng lớn hợp chất hóa học CO). Сác nhà hóa học và kỹ sư hóa học trên toàn thế giới đang cố gắng khai thác một loạt các công nghệ sẵn có như phát triển các chất xúc tác phản ứng trùng mới, điện hóa và các quá trình quang hóa, phương pháp công nghệ sinh học và những nghành khác, để không chỉ làm cho việc sử dụng CO2 hiệu quả hơn, đồng thời cũng có thể làm giảm lượng nguyên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ cần thiết để sản xuất sản phẩm.
Ở Đức, Bộ giáo dục và Nghiên cứu (BMMF) gần đây đã dành 100 triệu euro cho “Công nghệ bền vững và bảo vệ khí hậu – các quá trình và sử dụng ) với mục tiêu giảm sự phụ thuộc vào dầu mỏ và khí tự nhiên, sử dụng CO2 làm nguyên liệu tăng gấp đôi sàn xuất năng lượng vào năm 2020 và giảm lượng khí thải lên tới 40% vào năm 2020. Trong 33 dự án trong thời gian từ 2009- 2015 bao gồm: 11 dự án cho việc sử dụng và 7 dự án để làm hóa chất.
Ở Mỹ, Bộ Năng lượng đã tài trợ cho phòng thí nghiệm năng lượng công nghệ quốc gia để nghiên cứu công nghệ khai thác và sử dụng carbon (CCU). Bộ Năng lượng Mỹ cũng đã tài trợ cho các Công ty khởi động để thương mại hóa các ngành công nghiệp khai thác và sự dụng carbon (CCU). Một số dự án được mô tả dưới đây:
Polymers với tích hợp CO2
Việc sản xuất polypropylene carbonate (PPC) polyol sử dụng khí thải CO2 làm nguyên liệu đầu vào đầu tiên trên thế giới được thực hiện vào tháng 2/2013. Một phần tài trợ thực hiện trong 3 năm với kinh phí 25 triệu USD từ Văn phòng Năng lượng hóa thạch, Bộ năng lượng (DOE’s Office of Fossil Energy), PPC được sản xuất bởi Novomer Inc phối hợp với Albemarle Corp thử nghiệm công nghệ chất xúc tác của Novemer. Lô chạy ra được 7 tấn polymer PPC một diol với lượng phân tử 1g/mol – được sử dụng để cải thiện trong việc sản xuất ra các sản phẩm và áp dụng một loạt các ứng dụng polyurethane, Phó Chủ tịch điều hành Novemer, Peter Shepard nói.
PPC được tạo ra bởi xúc tác đồng trùng hợp của và propylene oxide chứa tới 40% khối lượng, PPC có thể được thay đổi để một loạt các tính chất đặc tính như dẻo rắn để bọt mềm, độ linh hoạt tùy thuộc vào độ dài của các chuỗi polymer.
Xúc tác đồng thể Coban dựa trên chất xúc tác có độ hoạt động gấp 300 lần so với trước đó, được phát triển để tổng hợp polycacbonat. Điều này có thể cho phép quá trình hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn từ 35-50°C. Shepard nói quá trình Novemer diễn ra trong giai đoạn lỏng ở áp suất từ 150 – 300 psi với các monomer hoạt động như một dung môi.
Novemer được các nhà sản xuất điện thoại sản xuất với quy mô lớn và định vị công nghệ polymer của mình để cạnh tranh với các vật liệu từ dầu mỏ thông thường cho các ứng dụng linh hoạt, cứng rắn và bọt siêu vi bao bì, nhựa nhiệt dẻo, chất kết dính polyurethane và chất bịt kín và lớp phủ nhựa cho lon thực phẩm và nước giải khát.
Polyol CO2 cũng đang được phát triển tại Bayer Material Science (BMS; Leverkusen, Đức ) như một phần của dự án sản xuất trong 3 năm ra mắt vào năm 2010 với sự tài trợ từ BMBF và với các đối tác RWE AG, đại học RWTH Aachen và trung tâm xúc tác CAT (một cơ sở nghiên cứu của các trường đại học và Bayer ). Một loại xúc tác mới được làm từ kẽm (Zn) đã được phát triển như một phần của dự án tiên phong “phản ứng trong mơ” (dream reactions) cho phép các phản ứng hiệu quả từ.
Bắt đầu từ năm 2011 công ty đã vận hành sản xuất quy mô nhỏ (miniplant), hiện đang hoạt động liên tục và sản xuất một lượng mẫu (kg) để thử nghiệm nội bộ của vật liệu mới: chủ nhiệm dự án Christoph Gürtler cho biết. Các miniplant sử dụng từ khí thải của một nhà máy điện đốt than non-RWE hoạt động gần Cologne
BMS hiện đang thử nghiệm các polymer cho các ứng dụng tiềm năng. Bằng cách trộn các polyether CO2 dựa trên polycarbonate polyol với isocyanat, công ty này đang sản xuất các mẫu polyurethane để thử nghiệm, kết quả ban đầu cho thấy rẳng các vật liệu có chứa CO2 phù hợp với những người thực hiện theo cách thông thường . Nếu quá trình tiếp tục tạo ra kết quả tốt, Bayer dự định sẽ bắt đầu sàn xuất công nghiệp polyol từ từ năm 2015 .
Trong khi đó một phân tích vòng đời (LCA) đã được thực hiện bởi Đại học RWTH Aachen và kết quả đã được báo cáo vào tháng vừa qua tại Hội nghị quốc tế về sử dụng nguồn khí CO2 (ngày 23-27 tháng 6 :Alexandria,Va). Phân tích LCA cho thấy vật liệu mới có một lượng khí thải carbon ít hơn so với những vật liệu được sản xuất bằng phương pháp thông thường, điều này cho thấy có thể thay thế nguyên liệu hóa thạch bằng CO2, Gürtler nói .
Một ước muốn khác trong phản ứng tổng hợp trực tiếp của acrylate từ CO2 và anken: ông Michael Limbach nói. Một nhà hóa học làm việc tại trung tâm Tổng hợp và đồng nhất xúc tác của BASF SE và phòng thí nghiệm xúc tác của đại học Heidelberg (CaRLa; Đức ) cho biết, xúc tác kim loại oxy hóa cầu nối của CO2 với anken hoặc ankin là một trong những cách tạo ra acrylates, nhưng việc tìm kiếm một chất xúc tác thích hợp đã bị bỏ ngỏ trong 30 năm nay.
Năm ngoái, Limbach và các đồng nghiệp của mình từ BASF đã công bố lần đầu tiên tổng hợp được natri acrylat từ CO2 và ethylene. Nhóm phát triển một chất xúc tác cơ kim đồng nhất dựa trên niken trong 3 năm với 2,2 triệu euro dự án tài trợ bởi BMBF cùng với BASF và THE thêm 1,7 triệu euro trong vài năm tới. Natri acrylat là một thành phần quan trọng để tổng hợp ra polymer tỷ trọng cao, chẳng hạn như polyme siêu hấp phụ được sử dụng trong tách chất. Dự án đang phát triển hơn nữa và hướng tới acrylat như một sự thay thế kinh tế cho những phương pháp sản xuất hiện nay, sử dụng nhiên liệu hóa thạch có nguồn gốc từ propylene hoặc propane trong quá trình oxy hóa hai bước: Limbach cho biết, ước tính nhu cầu thị trường toàn cầu hiện tại cho axit acrylic vào khoảng 4 triệu tấn /năm. Mặc dù là nguồn cung cấp cacbon giá rẻ, quy trình sản xuất chỉ thực sự có hiệu quả nếu quá trình này được tạo ra trung lập.
Phương pháp lên men (Fermentation methods)
Một nhà máy sản xuất axit từ theo công nghệ offgases sẽ được xây dựng tại một nhà máy đang vận hành của Petronas, công ty dầu khí quốc gia Maylaysia, dự kiến khởi công vào năm 2013 .
Quá trình tương tự như công nghệ CO trong đó sử dụng phương pháp truyền thống lên men có chứa vi khuẩn tự nhiên đã được tối ưu hóa để có được sản phẩm (axit axetic trong trường hợp của ). Nguyên liệu ban đầu offgases trước phương pháp vảy nước và phản ứng với ở 35-40 C tạo ra axit axetic và nước, phần còn lại của các thành phần là khí trơ và đi qua các lò phản ứng.
Schultz nói : không giống CO, dễ dàng hòa tan trong nước, tạo nên quá trình hiệu quả hơn. LanzTech có kế hoạch thu hồi axit từ các giải pháp bằng cách chiết xuất dung môi ngược dòng (quá trình sử dụng CO chưng cất để có được ethanol ). Ông lưu ý rằng có mặt trong offgases từ nhiên liệu của quá trình công nghiệp và có thể chiếm 50-60% lượng khí đốt từ nhiên liệu. cho quá trình này có thể được cung cấp từ các nguồn khác nhau có giá trị thấp ,chẳng hạn như khí lò cốc ,offgas từ nhà máy hydro và khí nhiên liệu nhà máy lọc dầu.
Trong khi đó, công nghệ sinh học cũng đang được khai thác như một phương pháp để sản xuất acetone, một dung môi được dùng rộng rãi và cũng là một thành phần quan trọng để tổng hợp methyl methacrylate, isophorone và bisphenol A. Ngày nay aceton được sản xuất từ các nguồn tài nguyên hóa thạch trên, phản ứng propylene và benzene tạo thành acetone và phenol. Mục tiêu của dự án BMBF –được tài trợ bởi COOPAF (lên men ) là việc phát triển một phòng thí nghiệm quy mô lên men khí gas trong đó vi khuẩn sản xuất acetone trực tiếp từ và . Chủng vi khuẩn acetogenic tự nhiên chuyển hóa thành ethanol và acetate. Trong hợp tác với các trường đại học của Ulm và Rostock , thiết kế vi khuẩn chủng acetogenic đang được phát triển. Ngược lại với những nỗ lực R&D khác, dự án này chỉ sử dụng như nguồn carbon: ông Jörg-Joachim Nitz nói, Nhóm đã khẳng định và xác nhận có thể sản xuất acetone từ CO2 và H2
Một lợi thế của phương pháp khí công nghệ sinh học lên men là khí tinh khiết không phải là nguyên liệu thô .”Chúng ta có thể sử dụng CO2 và H2 từ dòng khí thải “ Nitz nói .chẳng hạn như tổng hợp khí từ sinh khối và offgases từ quá trình chế biến thép.
Phương pháp điện hóa:
Trong 4 năm qua Det Norske Veritas (DNV,Oslo Na Uy ) đã phát triển quá trình điện hóa của nó (ECFORM- Electrochemical Reduction of CO2 to Formate) tạo nên axit formic từ CO2 (hình bên ),hòa tan CO2 electrochemically giảm ở cực âm thành các ion định dạng (cùng vợi một lượng nhỏ H2 và CO)của một –hai bước phản ứng xúc tác ,giải thích Edward Rode nhà nghiên cứu ở Viện nghiên cứu DNV của tập đoàn Columbus ,Ohio. Ở cực dương ,ion hydroxit bị oxy hóa thành .
DNV đã phát triển một chất xúc tác dựa trên thiếc hoặc hợp kim thiếc và một hỗn hợp oxit kim loại xúc tác ở cực dương ,trong đó làm giảm tổng số phần tử điện áp gần 1 V so với các thiết bị điện khác ,lò phản ứng tế bào điện hóa cũng đã được thiết kế để giảm thiệt hại do điện trở khác( 2V ),kết quả là tổng số năng lượng được giảm đi khoảng 60% :Rode nói .Và tuổi thọ của chất xúc tác cực âm cũng đã được tăng thêm gấp 20 lần .
Quá trình ECFORM đã được thử nghiệm trong một lò phản ứng bán thí điểm có kích thước với diện bề mặt là 600 ,có khả năng giảm khoảng 1kg/ngày của .Đơn vị đã được lắp ráp vào năng lượng pin mặt trời để thử nghiệm các hoạt động sử dụng năng lượng tái tạo hoàn toàn. Lò phản ứng được mô hình hóa sử dụng PROMS ,một mô hình được mô phỏng dựa trên mô hình từ quá trình hệ thống doanh nghiệp (PSE,London,vương quốc Anh);
Mô hình của DNV được phát triển và cũng được đánh giá scaleup: Rode nói, bước tiếp theo sẽ là cải tạo một số quá trình cho đến khi chuyển đổi 1 tấn /ngày CO2 mà Rode ước tính sẽ được sản xuất trong vài năm tới. Sau khi phát triển quy mô, quá trình sẽ được dễ dàng đưa tới quy mô sản xuất thương mại bằng cách tăng số lượng các tế bào : ông nói .
Trong khi đó, vật liệu dioxide [9] đang làm việc trên hai lĩnh vực điện chuyển đổi CO2 thành nhiên liệu và hóa chất: giảm nhu cầu năng lượng cho việc chuyển đổi chính của thành CO hoặc HCOOH và : mở rộng thị trường cho các sản phẩm tiếp theo với hóa chất khối lượng lớn. Một trong những động lực chính là việc sử dụng chất xúc tác nhị chức để giảm điện áp cần thiết để chuyển đổi CO2 CO hoặc HCOOH. Chất xúc tác lưỡng chức đã được biết nhiều trong ngành công nghiệp, chúng thường liên quan đến hai kim loại khác nhau hoặc kim loại và oxit kim loại. Trước dioxide liệu là chất xúc tác để phát triển lưỡng chức mới kết hợp với một kim loại và một chất hữu cơ (chất lỏng ion) để hạ thấp thế năng cho phản ứng (có nghĩa là, việc giảm rào cản năng lượng cho sự hình thành của CO2 – trung gian).
Công nghệ vật liệu dioxide tạo ra một đường dẫn cho phản ứng cho các phản ứng mới mà không đòi hỏi năng lượng cao, do đó không làm lảng phí năng lượng nhiều . Các công trình khoa học công bố trên tạp chí Science cho thấy CO2 có thể được chuyển đổi thành CO và O2 ở mức 80% hiệu suất năng lượng và 98% độ chọn lọc .
Nghiên cứu ban đầu được thực hiện trên một tế bào 1 . Bộ năng lượng và nghiên cứu cao cấp, Cơ quan chủ quản của dự án (ARPA-E : Advanced Research Projects Agency) đang hợp với 3M [11] phụ trách ARPA-E ,và hiện đang đánh giá công nghệ. Kể từ khi công việc ARPA-E bắt đầu vào tháng 2 năm 2013 . Nhóm đã tăng sản lượng CO lên 3 lần (từ microliters /phút thành ml/phút). Mục tiêu cuối cùng của dự án ARPA-E là để tăng sản lượng, mục tiêu thiết kế để mở rộng với quy mô công nghiệp (hàng ngàn tấn /ngày).
Trong khi đó dự án Sun-Fire đã được bắt đầu tháng 5 năm 2012 với mục đích sản xuất chất lỏng từ và sử dụng năng lượng tái tạo và mục tiêu trong 3 năm bởi công ty của Đức, Dresden [10] , ý tưởng là sản xuất khí tổng hợp bởi sự chuyển đổi thành nước và khí (CO2 + H2 = H2O + CO) sử dụng được tạo ra bởi nhiệt độ cao. Các khí tổng hợp được chuyển đổi thành chất lỏng (xăng, dầu diesel, dầu hỏa, methanol) và methan thông qua tổng hợp Fisher-Trops.
Bài viết do bạn Lê Đình Lâm, sinh viên đai học Lviv Polytechnic National University, Ucraine gửi cho Hoahocngaynay.com
Dịch từ www.che.com
