Hấp thụ hóa học và hấp phụ vật lý: Vai trò quan trọng trong việc thu giữ carbon

01 Giới thiệu

Công nghệ thu giữ carbon điểm nhằm mục đích giảm lượng khí thải carbon dioxide (CO₂) thải vào khí quyển và đã trở thành một giải pháp quan trọng để giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu. Bài viết này sẽ tìm hiểu hai phương pháp thu giữ carbon khác nhau: hấp thụ hóa học và hấp phụ vật lý, đồng thời thảo luận về đặc điểm của chúng trong các ứng dụng thực tiễn.

02 Hấp thụ hóa học: Nền tảng của quá trình thu giữ carbon

Hiện nay, phương pháp hấp thụ hóa học đóng vai trò quan trọng trong việc thu giữ carbon, cung cấp một phương tiện hiệu quả để thu giữ CO₂ từ khí thải của các nhà máy điện, cơ sở công nghiệp và các nguồn phát thải khác. Trong quá trình này, khí giàu CO₂ chảy qua một dung môi lỏng. Sau khi dung môi hấp thụ CO₂, CO₂ đã thu giữ sẽ được giải phóng và tách ra thông qua quá trình tái tạo nhiệt, sau đó được lưu trữ hoặc sử dụng.

Các chất hấp thụ thường dùng như monoethanolamine (MEA) và diethanolamine (DEA) được ứng dụng rộng rãi nhờ ái lực cao với CO₂. Các vật liệu này có thể trải qua các phản ứng hóa học thuận nghịch với CO₂ để tạo ra chu trình thu giữ và giải phóng. Hệ thống hấp thụ thường bao gồm bộ hấp thụ, bộ tách và bộ tái sinh. Dung môi đã được tái sinh được đưa trở lại bộ hấp thụ để tái sử dụng.

Công nghệ hấp thụ sử dụng dung môi amin hữu cơ đã bắt đầu từ sớm và tương đối hoàn thiện, với các hệ thống hấp thụ có khả năng đạt được tỷ lệ thu giữ cao. Tuy nhiên, dung môi amin hữu cơ bị phân hủy trong các chu kỳ hấp thụ-tái tạo liên tục, dẫn đến giảm khả năng hấp phụ và cần thay thế thường xuyên. Thêm vào đó, quá trình tái tạo dung môi tiêu tốn một lượng năng lượng đáng kể, có thể gây ra phát thải carbon bổ sung trong trường hợp không có nhiệt thải, làm hạn chế hơn nữa hiệu quả giảm phát thải tổng thể. Hơn nữa, việc xử lý dung môi thải có thể tạo ra các vấn đề môi trường mới. Do đó, trong những năm gần đây, công nghệ thu giữ carbon dioxide dựa trên hấp phụ vật lý đang nhận được sự quan tâm ngày càng tăng.

03 Hấp phụ vật lý: Thu giữ carbon bằng vật liệu xốp

Công nghệ hấp phụ chủ yếu sử dụng các vật liệu xốp như zeolit, than hoạt tính và khung kim loại hữu cơ (MOF) để hấp phụ vật lý CO₂. Khác với hấp thụ, hấp phụ đề cập đến việc thu giữ vật lý các phân tử CO₂ bởi bề mặt của chất hấp phụ rắn, mà không có phản ứng hóa học nào xảy ra trong quá trình hấp phụ.

Trong số các chất hấp phụ rắn thường được sử dụng, vật liệu than hoạt tính thể hiện tính chọn lọc hấp phụ kém, dẫn đến hiệu suất thấp và tiêu thụ năng lượng cao khi được ứng dụng trong việc thu giữ CO₂ tại nguồn điểm. Các vật liệu như zeolit ​​và sàng phân tử, ngoài tính chọn lọc kém, còn bị ảnh hưởng đáng kể bởi hơi nước. Các ứng dụng thực tế đòi hỏi các bước sấy khô bổ sung, dẫn đến tăng chi phí thu giữ. Hơn nữa, do tính chọn lọc kém của các chất hấp phụ này, khí thải có hàm lượng CO₂ thấp (≤30%) thường cần quá trình hấp phụ hai giai đoạn hoặc nhiều giai đoạn để tăng nồng độ CO₂ lên trên 90%.

Khung kim loại-hữu cơ (MOF) là một loại vật liệu xốp tinh thể được cấu tạo từ các ion hoặc cụm kim loại liên kết với nhau. Chất liên kết hữu cơCác vật liệu MOF tạo thành khung cấu trúc nano xốp với diện tích bề mặt riêng lớn và cấu trúc lỗ xốp có thể điều chỉnh. Trong những năm gần đây, một loạt các vật liệu MOF đã được phát triển, sở hữu tính chọn lọc cao, khả năng hấp phụ cao và khả năng chống nước nhất định, khiến chúng trở nên lý tưởng cho việc thu giữ CO₂ tại nguồn điểm. Những vật liệu này có thể đạt được khả năng hấp phụ chọn lọc cao, và ngay cả trong dòng khí có hàm lượng CO₂ thấp, chúng vẫn có thể tăng nồng độ CO₂ lên hơn 90% thông qua quá trình hấp phụ một giai đoạn, biến chúng thành giải pháp mạnh mẽ trong các ứng dụng thu giữ carbon.

Công nghệ thu giữ carbon bằng phương pháp hấp phụ dựa trên MOF mang lại nhiều ưu điểm. MOF có các đặc tính có thể điều chỉnh được, cho phép thiết kế các chất hấp phụ được tùy chỉnh đặc biệt cho các yêu cầu thu giữ CO₂ cụ thể. Chúng có thể được điều chỉnh cho các hệ thống quy trình hấp phụ khác nhau, chẳng hạn như hấp phụ dao động áp suất (PSA) và hấp phụ dao động nhiệt độ (TSA). Ngoài ra, MOF thường có thể được giải hấp ở nhiệt độ thấp hơn so với các vật liệu khác, giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng.

04 Tương lai của công nghệ thu giữ carbon

Những tiến bộ gần đây trong lĩnh vực MOF tiếp tục khắc phục những hạn chế thường gặp của vật liệu hấp phụ (như độ nhạy cảm với độ ẩm và tính chọn lọc kém), nhờ vào thiết kế cấu trúc có thể tùy chỉnh của chúng. Bằng cách tinh chỉnh thành phần và hình dạng lỗ xốp của MOF, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo các vật liệu ổn định và hiệu suất cao. Hệ thống dựa trên MOF có thể đáp ứng các yêu cầu tiêu chuẩn về thu giữ carbon hiệu quả (độ tinh khiết 95% và tỷ lệ thu hồi 90%) ở các nồng độ khác nhau, chỉ cần một lớp chất hút ẩm tối thiểu trước khi xử lý. Khả năng giảm thiểu độ nhạy cảm với độ ẩm này là một lợi thế đáng kể của MOF so với các vật liệu hấp phụ khác như zeolit.

MOF cũng thể hiện tính ổn định và độ bền tuyệt vời, khiến chúng trở thành vật liệu phổ biến cho các ứng dụng thu giữ carbon. Do đó, khả năng điều chỉnh của Cấu trúc MofĐiều này không chỉ giúp tăng hiệu quả trong việc thu giữ CO₂ mà còn cải thiện tính thực tiễn và độ tin cậy của chúng trong các điều kiện môi trường khác nhau, củng cố hơn nữa vị thế dẫn đầu của chúng trong các công nghệ thu giữ carbon dựa trên hấp phụ.

Trong bối cảnh nỗ lực giảm thiểu carbon toàn cầu, quá trình hấp phụ vật lý sử dụng MOF làm chất hấp phụ sẽ cho thấy tiềm năng to lớn. Các nhà nghiên cứu tiếp tục tiến hành nghiên cứu và phát triển để cải thiện hơn nữa độ ổn định, khả năng mở rộng và hiệu quả chi phí của MOF, thúc đẩy ứng dụng rộng rãi của chúng trong thu giữ carbon công nghiệp. Bằng cách tận dụng những ưu điểm của vật liệu xốp, chúng ta có thể mở đường cho một tương lai xanh và bền vững cho các thế hệ mai sau.

Công ty TNHH Vật liệu Mới Quảng Đông Tanyu là doanh nghiệp tiên phong về công nghệ đầu tiên tại Trung Quốc đạt được sản xuất hàng loạt MOF, với hàng trăm loại MOF chức năng đã được phát triển. Đội ngũ của chúng tôi sở hữu chuyên môn kỹ thuật sâu rộng trong tổng hợp và ứng dụng MOF. Để tìm hiểu thêm về ứng dụng MOF và tùy chỉnh chức năng, vui lòng liên hệ với đội ngũ chuyên gia Tanyu để được tư vấn chuyên nghiệp.

Tài liệu tham khảo

[1]Heliyon, 9 (2023), e22341, 10.1016/j.heliyon.2023.e22341

[2]Tạp chí Sản xuất Sạch hơn, 373 (2022), 133932, 10.1016/j.jclepro.2022.133932