Các nhà máy xi măng như nhà máy trong hình là nguồn phát thải khí carbon dioxide gây nóng lên toàn cầu chính. Nhưng một số chất gây ô nhiễm này có thể được chuyển đổi thành một loại nhiên liệu mới. Muối này có thể được lưu trữ an toàn trong nhiều thập kỷ hoặc lâu hơn.
Đây là một bài viết khác trong loạt bài về các công nghệ và hành động mới có thể làm chậm biến đổi khí hậu, giảm thiểu tác động của nó, hoặc giúp các cộng đồng ứng phó với một thế giới đang thay đổi nhanh chóng.
Các hoạt động thải ra khí carbon dioxide (CO2), một loại khí nhà kính phổ biến, góp phần làm ấm lên bầu khí quyển Trái đất. Ý tưởng chiết xuất CO2 từ không khí và lưu trữ nó không phải là mới. Nhưng việc này rất khó thực hiện, đặc biệt là khi người dân không đủ khả năng chi trả. Một hệ thống mới giải quyết vấn đề ô nhiễm CO2 theo một cách hơi khác. Nó chuyển hóa khí gây ấm lên khí hậu thành nhiên liệu bằng phản ứng hóa học.
Ngày 15 tháng 11, các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Cambridge đã công bố kết quả đột phá của họ trên tạp chí Cell Reports Physical Science.
Hệ thống mới của họ được chia thành hai phần. Phần đầu tiên liên quan đến việc chuyển đổi carbon dioxide từ không khí thành một phân tử gọi là formate để sản xuất nhiên liệu. Giống như carbon dioxide, formate chứa một nguyên tử carbon và hai nguyên tử oxy, cũng như một nguyên tử hydro. Formate cũng chứa một số nguyên tố khác. Nghiên cứu mới này đã sử dụng muối formate, được điều chế từ natri hoặc kali.
Hầu hết các pin nhiên liệu hoạt động bằng hydro, một loại khí dễ cháy cần đường ống và bình chứa áp suất cao để vận chuyển. Tuy nhiên, pin nhiên liệu cũng có thể hoạt động bằng format. Theo Li Ju, một nhà khoa học vật liệu, người dẫn đầu phát triển hệ thống mới này, format có hàm lượng năng lượng tương đương với hydro. Li Ju lưu ý rằng format có một số ưu điểm so với hydro. Nó an toàn hơn và không cần lưu trữ ở áp suất cao.
Các nhà nghiên cứu tại MIT đã tạo ra một pin nhiên liệu để thử nghiệm formate, một chất mà họ sản xuất từ ​​carbon dioxide. Đầu tiên, họ trộn muối này với nước. Hỗn hợp sau đó được đưa vào pin nhiên liệu. Bên trong pin nhiên liệu, formate giải phóng các electron trong một phản ứng hóa học. Các electron này chảy từ cực âm của pin nhiên liệu đến cực dương, hoàn thành một mạch điện. Dòng electron này—một dòng điện—đã tồn tại trong 200 giờ của thí nghiệm.
Zhen Zhang, một nhà khoa học vật liệu làm việc với Li tại MIT, lạc quan rằng nhóm của ông sẽ có thể mở rộng quy mô công nghệ mới trong vòng một thập kỷ.
Nhóm nghiên cứu của MIT đã sử dụng phương pháp hóa học để chuyển đổi carbon dioxide thành một thành phần quan trọng trong sản xuất nhiên liệu. Đầu tiên, họ cho nó tiếp xúc với dung dịch có tính kiềm cao. Họ chọn natri hydroxit (NaOH), thường được gọi là dung dịch kiềm. Điều này kích hoạt một phản ứng hóa học tạo ra natri bicacbonat (NaHCO3), được biết đến nhiều hơn với tên gọi là bột nở.
Sau đó, họ bật nguồn điện. Dòng điện kích hoạt một phản ứng hóa học mới, phân tách mọi nguyên tử oxy trong phân tử bột nở, tạo ra natri fomat (NaCHO2). Hệ thống của họ đã chuyển hóa gần như toàn bộ carbon trong CO2 — hơn 96 phần trăm — thành muối này.
Năng lượng cần thiết để loại bỏ oxy được lưu trữ trong các liên kết hóa học của format. Giáo sư Li lưu ý rằng format có thể lưu trữ năng lượng này trong nhiều thập kỷ mà không bị mất năng lượng tiềm năng. Sau đó, nó tạo ra điện khi đi qua pin nhiên liệu. Nếu điện năng được sử dụng để sản xuất format đến từ năng lượng mặt trời, năng lượng gió hoặc năng lượng thủy điện, thì điện năng được tạo ra bởi pin nhiên liệu sẽ là một nguồn năng lượng sạch.
Để mở rộng quy mô công nghệ mới, Lee cho biết, “chúng ta cần tìm kiếm các nguồn tài nguyên địa chất giàu kiềm”. Ông đã nghiên cứu một loại đá gọi là bazan kiềm (AL-kuh-lye buh-SALT). Khi trộn với nước, loại đá này sẽ biến thành kiềm.
Farzan Kazemifar là một kỹ sư tại Đại học Bang San Jose ở California. Nghiên cứu của ông tập trung vào việc lưu trữ carbon dioxide trong các tầng muối ngầm. Ông cho biết, việc loại bỏ carbon dioxide khỏi không khí luôn khó khăn và do đó rất tốn kém. Vì vậy, việc chuyển đổi CO2 thành các sản phẩm hữu ích như formate là rất có lợi nhuận. Chi phí của sản phẩm có thể bù đắp chi phí sản xuất.
Đã có nhiều nghiên cứu về việc thu giữ khí carbon dioxide từ không khí. Ví dụ, một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Lehigh gần đây đã mô tả một phương pháp khác để lọc khí carbon dioxide từ không khí và chuyển đổi nó thành bột nở. Các nhóm nghiên cứu khác đang lưu trữ CO2 trong các loại đá đặc biệt, chuyển đổi nó thành carbon rắn, sau đó có thể được chế biến thành ethanol, một loại nhiên liệu cồn. Hầu hết các dự án này đều có quy mô nhỏ và chưa có tác động đáng kể đến việc giảm nồng độ carbon dioxide cao trong không khí.
Hình ảnh này cho thấy một ngôi nhà hoạt động bằng khí carbon dioxide. Thiết bị được hiển thị ở đây chuyển đổi carbon dioxide (các phân tử trong bong bóng màu đỏ và trắng) thành một loại muối gọi là formate (các bong bóng màu xanh lam, đỏ, trắng và đen). Muối này sau đó có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu để tạo ra điện.
Kazemifar cho rằng lựa chọn tốt nhất của chúng ta là “cắt giảm lượng khí thải nhà kính trước tiên”. Một cách để làm điều đó là thay thế nhiên liệu hóa thạch bằng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió hoặc năng lượng mặt trời. Đây là một phần của quá trình chuyển đổi mà các nhà khoa học gọi là “khử carbon”. Nhưng ông nói thêm rằng việc ngăn chặn biến đổi khí hậu sẽ đòi hỏi một cách tiếp cận đa diện. Ông cho biết công nghệ mới này cần thiết để thu giữ carbon ở những khu vực khó khử carbon. Ví dụ như các nhà máy thép và nhà máy xi măng.
Nhóm nghiên cứu của MIT cũng nhận thấy lợi ích trong việc kết hợp công nghệ mới của họ với năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Pin truyền thống được thiết kế để lưu trữ năng lượng trong vài tuần. Việc lưu trữ năng lượng mặt trời mùa hè sang mùa đông hoặc lâu hơn đòi hỏi một phương pháp khác. Lee cho biết: “Với nhiên liệu formate, bạn không còn bị giới hạn ngay cả trong việc lưu trữ theo mùa nữa. Nó có thể kéo dài nhiều thế hệ.”
Nó có thể không lấp lánh như vàng, nhưng "Tôi có thể để lại 200 tấn... formate cho các con trai và con gái của mình," ông Lee nói, "như một di sản."
Kiềm: Tính từ mô tả một chất hóa học tạo thành ion hydroxit (OH-) trong dung dịch. Các dung dịch này còn được gọi là kiềm (trái ngược với axit) và có độ pH lớn hơn 7.
Tầng chứa nước ngầm: Một tầng đá có khả năng chứa các hồ chứa nước ngầm. Thuật ngữ này cũng áp dụng cho các lưu vực ngầm dưới lòng đất.
Đá bazan: Một loại đá núi lửa màu đen, thường rất đặc (trừ trường hợp núi lửa phun trào để lại những túi khí lớn bên trong).
Liên kết: (trong hóa học) là sự liên kết bán vĩnh cửu giữa các nguyên tử (hoặc nhóm nguyên tử) trong một phân tử. Nó được hình thành bởi lực hút giữa các nguyên tử tham gia. Một khi liên kết được hình thành, các nguyên tử hoạt động như một thể thống nhất. Để tách các nguyên tử cấu thành, năng lượng dưới dạng nhiệt hoặc bức xạ khác phải được cung cấp cho các phân tử.
Cacbon: Một nguyên tố hóa học là nền tảng vật lý của mọi sự sống trên Trái đất. Cacbon tồn tại tự do dưới dạng than chì và kim cương. Nó là một thành phần quan trọng của than đá, đá vôi và dầu mỏ, và có khả năng tự liên kết hóa học để tạo thành nhiều loại phân tử có giá trị hóa học, sinh học và thương mại. (Trong nghiên cứu khí hậu) Thuật ngữ cacbon đôi khi được sử dụng gần như thay thế cho cacbon dioxide để chỉ tác động tiềm tàng mà một hành động, sản phẩm, chính sách hoặc quy trình nào đó có thể gây ra đối với sự nóng lên lâu dài của khí quyển.
Khí cacbonic (hay CO2) là một loại khí không màu, không mùi được tạo ra bởi tất cả các loài động vật khi oxy chúng hít thở phản ứng với thức ăn giàu cacbon mà chúng ăn. Khí cacbonic cũng được giải phóng khi chất hữu cơ, bao gồm cả nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ hoặc khí tự nhiên, bị đốt cháy. Khí cacbonic là một loại khí nhà kính giữ nhiệt trong khí quyển Trái đất. Thực vật chuyển hóa khí cacbonic thành oxy thông qua quá trình quang hợp và sử dụng quá trình này để tự tạo ra thức ăn.
Xi măng: Chất kết dính được sử dụng để liên kết hai vật liệu với nhau, làm cho chúng cứng lại thành khối rắn, hoặc một loại keo đặc được sử dụng để kết dính hai vật liệu với nhau. (Xây dựng) Một loại vật liệu được nghiền mịn được sử dụng để kết dính cát hoặc đá dăm lại với nhau để tạo thành bê tông. Xi măng thường được sản xuất dưới dạng bột. Nhưng khi bị ướt, nó sẽ biến thành một hỗn hợp sệt như bùn và cứng lại khi khô.
Chất hóa học: Một chất được tạo thành từ hai hoặc nhiều nguyên tử kết hợp (liên kết) với nhau theo tỷ lệ và cấu trúc cố định. Ví dụ, nước là một chất hóa học được tạo thành từ hai nguyên tử hydro liên kết với một nguyên tử oxy. Công thức hóa học của nó là H2O. Từ “chất hóa học” cũng có thể được sử dụng như một tính từ để mô tả các đặc tính của một chất phát sinh từ các phản ứng khác nhau giữa các hợp chất khác nhau.
Liên kết hóa học: Là lực hút giữa các nguyên tử đủ mạnh để khiến các nguyên tố liên kết hoạt động như một thể thống nhất. Một số lực hút yếu, một số khác mạnh. Tất cả các liên kết dường như kết nối các nguyên tử bằng cách chia sẻ (hoặc cố gắng chia sẻ) electron.
Phản ứng hóa học: Là quá trình liên quan đến sự sắp xếp lại các phân tử hoặc cấu trúc của một chất chứ không phải là sự thay đổi về hình thái vật lý (ví dụ: từ rắn sang khí).
Hóa học: là ngành khoa học nghiên cứu thành phần, cấu trúc, tính chất và sự tương tác của các chất. Các nhà khoa học sử dụng kiến ​​thức này để nghiên cứu các chất chưa biết, để tái tạo các chất hữu ích với số lượng lớn, hoặc để thiết kế và tạo ra các chất hữu ích mới. (Đối với các hợp chất hóa học) Hóa học cũng đề cập đến công thức của một hợp chất, phương pháp điều chế nó, hoặc một số tính chất của nó. Những người làm việc trong lĩnh vực này được gọi là nhà hóa học. (Trong khoa học xã hội) khả năng hợp tác, hòa thuận và tận hưởng sự đồng hành của nhau giữa con người.
Biến đổi khí hậu: Là sự thay đổi đáng kể, kéo dài trong khí hậu Trái đất. Hiện tượng này có thể xảy ra một cách tự nhiên hoặc do các hoạt động của con người, bao gồm đốt nhiên liệu hóa thạch và phá rừng.
Khử carbon: đề cập đến quá trình chuyển đổi có chủ đích khỏi các công nghệ, hoạt động và nguồn năng lượng gây ô nhiễm, phát thải khí nhà kính gốc carbon, chẳng hạn như carbon dioxide và methane, vào khí quyển. Mục tiêu là giảm lượng khí carbon góp phần gây ra biến đổi khí hậu.
Điện: Sự chuyển động của điện tích, thường là do sự chuyển động của các hạt mang điện tích âm gọi là electron.
Electron: một hạt mang điện tích âm, thường quay quanh vùng ngoài của nguyên tử; nó cũng là chất mang điện trong chất rắn.
Kỹ sư: Người sử dụng khoa học và toán học để giải quyết vấn đề. Khi được sử dụng như một động từ, từ "kỹ sư" đề cập đến việc thiết kế một thiết bị, vật liệu hoặc quy trình để giải quyết một vấn đề hoặc nhu cầu chưa được đáp ứng.
Ethanol: Một loại rượu, còn được gọi là rượu etyl, là thành phần cơ bản của các loại đồ uống có cồn như bia, rượu vang và rượu mạnh. Nó cũng được sử dụng làm dung môi và nhiên liệu (ví dụ, thường được pha trộn với xăng).
Bộ lọc: (danh từ) Vật liệu cho phép một số chất đi qua và một số chất khác đi qua, tùy thuộc vào kích thước hoặc các đặc tính khác của chúng. (động từ) Quá trình chọn lọc các chất nhất định dựa trên các thuộc tính như kích thước, mật độ, điện tích, v.v. (trong vật lý) Màn chắn, tấm hoặc lớp vật liệu hấp thụ ánh sáng hoặc bức xạ khác hoặc ngăn chặn một cách chọn lọc một số thành phần của nó đi qua.
Formate: Thuật ngữ chung dùng để chỉ các muối hoặc este của axit formic, một dạng oxy hóa của axit béo. (Este là một hợp chất gốc cacbon được hình thành bằng cách thay thế các nguyên tử hydro của một số axit nhất định bằng một số loại nhóm hữu cơ nhất định. Nhiều chất béo và tinh dầu là este tự nhiên của axit béo.)
Nhiên liệu hóa thạch: Bất kỳ loại nhiên liệu nào, chẳng hạn như than đá, dầu mỏ (dầu thô) hoặc khí tự nhiên, được hình thành qua hàng triệu năm bên trong Trái đất từ ​​sự phân hủy của vi khuẩn, thực vật hoặc động vật.
Nhiên liệu: Bất kỳ chất nào giải phóng năng lượng thông qua phản ứng hóa học hoặc hạt nhân được kiểm soát. Nhiên liệu hóa thạch (than đá, khí tự nhiên và dầu mỏ) là những nhiên liệu phổ biến giải phóng năng lượng thông qua các phản ứng hóa học khi được nung nóng (thường đến điểm cháy).
Pin nhiên liệu: Thiết bị chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Nhiên liệu phổ biến nhất là hydro, sản phẩm phụ duy nhất của quá trình này là hơi nước.
Địa chất học: Một tính từ mô tả mọi thứ liên quan đến cấu trúc vật lý của Trái đất, các thành phần cấu tạo, lịch sử và các quá trình diễn ra trên đó. Những người làm việc trong lĩnh vực này được gọi là nhà địa chất học.
Hiện tượng nóng lên toàn cầu: Là sự gia tăng dần dần nhiệt độ tổng thể của khí quyển Trái đất do hiệu ứng nhà kính. Hiệu ứng này gây ra bởi sự gia tăng nồng độ carbon dioxide, chlorofluorocarbon và các khí khác trong không khí, nhiều trong số đó được phát thải từ các hoạt động của con người.
Hydro: Nguyên tố nhẹ nhất trong vũ trụ. Ở dạng khí, nó không màu, không mùi và cực kỳ dễ cháy. Nó là thành phần của nhiều loại nhiên liệu, chất béo và các chất hóa học cấu tạo nên mô sống. Nó bao gồm một proton (hạt nhân) và một electron quay quanh nó.
Đổi mới: (động từ: đổi mới; tính từ: đổi mới) Sự điều chỉnh hoặc cải tiến một ý tưởng, quy trình hoặc sản phẩm hiện có để làm cho nó mới hơn, thông minh hơn, hiệu quả hơn hoặc hữu ích hơn.
Dung dịch kiềm: Tên gọi chung của dung dịch natri hydroxit (NaOH). Kiềm thường được trộn với dầu thực vật hoặc mỡ động vật và các thành phần khác để làm xà phòng bánh.
Nhà khoa học vật liệu: Là nhà nghiên cứu chuyên nghiên cứu mối quan hệ giữa cấu trúc nguyên tử và phân tử của vật liệu với các tính chất tổng thể của nó. Các nhà khoa học vật liệu có thể phát triển vật liệu mới hoặc phân tích các vật liệu hiện có. Phân tích các tính chất tổng thể của vật liệu, chẳng hạn như mật độ, độ bền và điểm nóng chảy, có thể giúp các kỹ sư và các nhà nghiên cứu khác lựa chọn vật liệu tốt nhất cho các ứng dụng mới.
Phân tử: Là một nhóm các nguyên tử trung tính về điện, đại diện cho lượng nhỏ nhất có thể của một hợp chất hóa học. Phân tử có thể được tạo thành từ một loại nguyên tử hoặc nhiều loại nguyên tử khác nhau. Ví dụ, oxy trong không khí được tạo thành từ hai nguyên tử oxy (O2), và nước được tạo thành từ hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy (H2O).
Chất gây ô nhiễm: Là chất làm ô nhiễm một thứ gì đó, chẳng hạn như không khí, nước, con người hoặc thực phẩm. Một số chất gây ô nhiễm là hóa chất, ví dụ như thuốc trừ sâu. Các chất gây ô nhiễm khác có thể là bức xạ, bao gồm nhiệt độ hoặc ánh sáng quá mức. Ngay cả cỏ dại và các loài xâm lấn khác cũng có thể được coi là một dạng ô nhiễm sinh học.
Mạnh mẽ: Một tính từ dùng để chỉ những thứ rất mạnh hoặc có tác dụng mạnh (như vi trùng, chất độc, thuốc hoặc axit).
Tài nguyên tái tạo: Là tính từ chỉ nguồn tài nguyên có thể được thay thế vô thời hạn (như nước, cây xanh, ánh sáng mặt trời và gió). Điều này trái ngược với tài nguyên không tái tạo, vốn có nguồn cung hạn chế và có thể bị cạn kiệt. Tài nguyên không tái tạo bao gồm dầu mỏ (và các nhiên liệu hóa thạch khác) hoặc các nguyên tố và khoáng chất tương đối hiếm.