Xúc tác mới chuyển hóa khí thải CO2 thành các phân tử có ích

(H2N2)-Theo nghiên cứu của các nhà hóa học người Anh, các hệ xúc tác hữu hiệu cho quá trình chuyển hóa khí thải CO2 từ các nhà máy điện thành các phân tử carbonate chứa vòng có thể giúp giảm lượng khí phát thải và sự phụ thuộc của ngành công nghiệp hóa dầu vào nhiên liệu hóa thạch.

Xúc tác trên chất mang rắn làm việc ở 60 độ C và áp suất khí quyển có thể được sử dụng ở các nhà máy điện để hấp phụ CO2 từ khí thải và cho nó phản ứng với hợp chất chứa vòng epoxide để tạo thành các hợp chất carbonate chứa vòng, được sử dụng như một chất điện môi trong pin lithium ion cũng như là một dung môi và chất tẩy rửa thân thiện với môi trường.

Con đường tổng hợp carbonate chứa vòng từ CO2 và epoxide  

“Các hợp chất carbonate chứa vòng đã được thương mại hóa (cho phản ứng kiểu này) từ 50 năm nay. Sản lượng hàng năm từ 100 đến 200 ngàn tấn”, Michael North của trường đại học Newcastle, chủ nhiệm đề tài nghiên cứu cho biết. Ông ta nói thêm rằng, các xúc tác hiện nay đều đòi hỏi CO2 có độ tinh khiết ở áp suất và nhiệt độ cao – khoảng 180 độ C và trên 8 atm.

North nói ‘Trên thực tế, chúng ta chỉ có thể thu được CO2 ướt và nhiễm nhiều tạp chất thải ra từ các nhà máy điện. Xúc tác được chọn có đủ độ bền và hoạt tính tốt để có thể chịu được tình trạng này. Nhờ vậy, dòng khí thải được cho phản ứng ngay với tác chất mang chức epoxide mà không cần tinh chế, gia áp cũng như gia nhiệt lên.’

Vài năm trước, North và nhóm nghiên cứu của mình đã phát triển một hợp chất muối phức lưỡng nhôm hóa trị 3 với các phối tử ammonium bậc 4. ‘Cấu trúc của phức rất phức tạp’, North nói, ‘vì một trong các nguyên tử nhôm sẽ đóng vai trò của acid Lewis để hoạt hóa chức epoxide, còn các nguyên tử nhôm còn lại sẽ hoạt hóa CO2’. Ông cũng giải thích thêm rằng, hầu hết các xúc tác thương mại chỉ hoạt hóa một trong chức nói trên. Cái mà chúng tôi đã thực hiện là tạo ra xúc tác có thể tác động đồng thời đến cả hai nhóm chức.”

Tuy nhiên, để sử dụng được CO2 thải ra từ các nhà máy điện, hệ thống cần được thiết kế như một lò phản ứng dòng liên tục. Để mô phỏng điều này, nhóm nghiên cứu tiến hành phản ứng xúc tác với lưu lượng thí nghiệm nhỏ. Họ cố định xúc tác trên chất mang silica vô định hình rẻ tiền và cho hỗn hợp CO2, nitơ và ethylene oxide qua lớp xúc tác ở 60 độ C. “Chúng tôi có thể thu hồi 98% CO2 từ dòng khí.” North lưu ý “Trong thực tế sản xuất ở lượng lớn, tỷ lệ thu hồi CO2 có thể ít hơn do phải cân đối các yếu tố kỹ thuật ở lò phản ứng lớn.”

Phương pháp tổng hợp xúc tác trên chất mang

Howard Klein, viện sĩ khoa học của Huntsman Performance Products – nơi đầu tiên phát triển hệ xúc tác dùng để tổng hợp các carbonate chứa vòng và là nhà sản xuất sản phẩm này lớn nhất ở Mĩ – rất thích thú với công nghệ này. Ông ta giải thích rằng, cơ hội để tiết kiệm năng lượng khi giảm nhiệt độ và áp suất của quá trình và chuyển từ thiết bị phản ứng gián đoạn sang một công nghệ liên tục có nhiều tiềm năng, vì xúc tác mới rẻ hơn nhiều so với hệ xúc tác đang được sử dụng hiện nay.

Sơ đồ khối công nghệ sản xuất liên tục   ‘Điều thú vị nhất từ công nghệ thu giữ CO2 là nó sẽ làm giảm hiện tượng nóng lên của toàn cầu’, Klein nói. ‘Nếu có thể lấy lại CO2 thải ra không khí, rồi chuyển nó thành những sản phẩm mà mọi người cần thì đó thực sự là một việc làm hấp dẫn.’ Tuy nhiên, ông cũng nhấn mạnh rằng, yếu tố hạn chế hiện nay nằm ở chỗ giá của hợp chất chứa nhóm chức epoxide là cao. Đây là thành phần chiếm chủ yếu giá sản xuất carbonate chứa vòng.

Đi cùng với vấn đề giảm phát thải CO2, North cũng chỉ ra rằng công nghệ này có thể tạo ra một giải pháp kết hợp nhỏ, đặc biệt là khi nhu cầu sử dụng các hợp chất carbonate tăng lên. “Dĩ nhiên là khi thị trường hóa chất ngày càng phát triển thì mọi người sẽ bắt đầu sử dụng sản phẩm này nhiều hơn – đặc biệt là vì nó rẻ, trong khi các sản phẩm có nguồn gốc dầu mỏ đang tăng giá.’

North diễn giải rằng nhóm nghiên cứu của ông đang thiết kế một hệ thống ở quy mô sản xuất thử và hi vọng có thể tạo ra được một hệ thống thực được sử dụng thử tại các nhà máy điện. ‘Không có nhà máy điện nào giống nhau cả,’ North nói, ‘thành phần khí thải phụ thuộc vào (một số yếu tố) loại nhiên liệu mà họ đốt – và sẽ dễ dàng hơn nhiều nếu đặt thiết bị phản ứng ở ngay khu vực đốt nhiên liệu của nhà máy thay vì đặt ở khu vực bên ngoài.’  

Nguyễn Thanh Tùng (Theo Chemistryworld)

Nguồn Cyberchemvn.com