Thu giữ Carbon giúp làm chậm biến đổi khí hậu

Nghịch lý nhựa

Ngày nay, 27 cơ sở CCS hoạt động trên khắp thế giới (12 cơ sở ở Mỹ) lưu trữ ước tính 36 triệu tấn carbon mỗi năm - theo Viện CCS Toàn cầu. Nhưng thay vì chỉ lưu trữ, carbon thu được có thể được sử dụng để chế tạo đồ vật. Năm 2021, lần đầu tiên IPCC bổ sung thu giữ và sử dụng carbon, hay còn gọi là CCU, vào danh sách các lựa chọn để rút carbon trong khí quyển.

CCU thu giữ CO2 và kết hợp nó vào những sản phẩm chứa carbon như xi măng, nhiên liệu máy bay và nguyên liệu thô phục vụ sản xuất chất dẻo. Vẫn còn trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển và thương mại hóa, CCU giúp giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính hàng năm 20 tỷ tấn vào năm 2050 - hơn một nửa lượng khí thải toàn cầu của thế giới hiện nay - IPCC ước tính.

Nhà hóa học và chuyên gia CCU toàn cầu Peter Styring, Đại học Sheffield (Anh) cho rằng sự công nhận như vậy là một thắng lợi lớn đối với phong trào đấu tranh thoát ra khỏi cái bóng của người anh em họ lâu đời hơn của nó là CCS.Styring nhận định nhiều công ty liên quan đến CCU đang hình thành và hợp tác với nhau cùng với các chính phủ trên thế giới. Nhựa được làm từ nhiên liệu hóa thạch, một hỗn hợp các hydrocacbon được hình thành từ tàn tích của các sinh vật cổ đại.

Hầu hết chất dẻo được sản xuất bằng cách tinh chế dầu thô, sau đó được chia nhỏ thành các phân tử nhỏ hơn. Những phân tử nhỏ hơn này, được gọi là monome, là khối cấu tạo của polyme. Các monome như ethylene, propylene, styrene và số chất khác liên kết với nhau tạo thành chất dẻo như polyethylene (chai chất tẩy rửa, đồ chơi, ống cứng), polypropylene (chai nước, hành lý, phụ tùng xe hơi) và polystyrene (dao kéo nhựa, hộp CD, xốp).

Nhưng sản xuất nhựa từ nhiên liệu hóa thạch là thảm họa carbon. Theo Trung tâm Luật Môi trường Quốc tế (công ty luật phi lợi nhuận có trụ sở tại Geneva và Washington DC), mỗi bước trong vòng đời của nhựa - khai thác, vận chuyển, sản xuất và thải bỏ - thải ra một lượng lớn khí nhà kính, chủ yếu là CO2 đủ để đe dọa khí hậu toàn cầu. Và những con số sắp trở nên tồi tệ hơn nhiều.

Cơ quan Năng lượng Quốc tế liên chính phủ có trụ sở tại Paris dự báo nhu cầu toàn cầu về nhựa sẽ tăng lên gần 600 triệu tấn vào năm 2050. Nhưng việc tạo ra chất dẻo từ không khí loãng không hề đơn giản. Ví dụ, CO2 cần được chiết xuất từ khí quyển hoặc khói thuốc bằng thiết bị chuyên dụng. Nó thường cần được nén thành dạng lỏng và vận chuyển, nói chung là thông qua các đường ống. Cuối cùng, nhằm đáp ứng mục tiêu chung là giảm lượng carbon trong không khí, phản ứng hóa học biến CO2 thành các khối cấu tạo của nhựa phải được thực hiện với càng ít năng lượng càng tốt. Giữ cho việc sử dụng năng lượng ở mức thấp là một thách thức đặc biệt khi xử lý phân tử CO2.

Có một lý do mà CO2 là một khí nhà kính mạnh như vậy. Nó cực kỳ ổn định và có thể tồn tại trong khí quyển từ 300 đến 1.000 năm. Nhà hóa học Ian Tonks, Đại học Minnesota (Mỹ) cho biết: “Đây là vấn đề năng lượng cơ bản của CO2. Năng lượng là cần thiết để cố định CO2 thành nhựa. Chúng tôi đang cố gắng tìm kiếm năng lượng đó theo những cách sáng tạo”.

Các chất xúc tác đưa ra một câu trả lời khả thi. Những chất này có thể làm tăng tốc độ của phản ứng hóa học, và do đó làm giảm nhu cầu năng lượng. Các nhà khoa học trong lĩnh vực này đã dành hơn một thập kỷ tìm kiếm những chất xúc tác có thể hoạt động ở nhiệt độ và áp suất gần với nhiệt độ phòng và áp suất, đồng thời kết hợp CO2 để hình thành một đặc tính hóa học mới. Những nỗ lực này được chia thành hai loại lớn: chuyển đổi hóa học và sinh học.

Những lần thử đầu tiên

Loạt thí nghiệm ban đầu tập trung vào việc thêm CO2 vào các monome có phản ứng mạnh như epoxit để tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng. Epoxit bao gồm một nguyên tử oxy và hai nguyên tử carbon. Giống như lò xo bị căng, chúng có thể dễ dàng bung ra. Vào đầu thập niên 2000, nhà hóa học công nghiệp Christoph Gürtler và nhà hóa học Walter Leitner, Đại học Aachen (Đức) tìm ra chất xúc tác kẽm cho phép chúng phá vỡ vòng epoxit của oxit polypropylene và kết hợp nó với CO2. Sau phản ứng, CO2 được liên kết vĩnh viễn với phân tử polypropylene và không còn ở dạng khí. Công việc của hai nhà khoa học giúp tạo ra một trong những khí CO2 thương mại đầu tiên - một loại bọt polyurethane chứa 20% CO2 bị thu giữ.

Nhiều nghiên cứu gần đây tập trung vào các monome khác cho phép mở rộng sự đa dạng của chất dẻo dựa trên CO2. Butadien là một đơn phân hydrocarbon có thể được sử dụng để sản xuất polyester cho quần áo, thảm, chất kết dính và nhiều sản phẩm khác. Năm 2020, nhà hóa học James Eagan, Đại học Akron (Mỹ) trộn butadien và CO2 với một loạt chất xúc tác được phát triển tại Đại học Stanford. Eagan hy vọng tạo ra loại polyester âm tính carbon - nghĩa là có tác dụng loại bỏ CO2 khỏi khí quyển, thay vì thêm nó vào. Khi phân tích thành phần bên trong một lọ, Eagan phát hiện ra mình đã tạo ra một thứ thậm chí còn tốt hơn: một loại polyester được tạo ra với 29% CO2 có thể phân hủy trong nước có độ pH cao thành vật liệu hữu cơ.

Sáng chế của Eagan có ứng dụng ngay lập tức trong ngành công nghiệp tái chế, nơi máy móc thường có thể bị dính keo từ chất kết dính không thể phân hủy được sử dụng trong bao bì, nhãn chai nước ngọt và nhiều sản phẩm khác. Chất kết dính dễ vỡ có thể cải thiện hiệu quả của cơ sở tái chế. Ian Tonks đưa quy trình được cấp bằng sáng chế của Eagan tiến thêm một bước nữa. Bằng cách đưa sản phẩm của Eagan qua một phản ứng nữa, Tonks làm cho polyme có thể phân hủy hoàn toàn trở lại thành CO2 có thể tái sử dụng - một mục tiêu kinh tế carbon tròn. Năm 2022, Tonks thành lập công ty khởi nghiệp có tên là Loop CO2 để sản xuất nhiều loại nhựa phân hủy sinh học.

Sự giúp đỡ của vi sinh vật

Cộng đồng khoa học cũng khai thác vi khuẩn để giúp biến CO2 thành vật liệu hữu ích bao gồm cả vải may váy. Một số vi khuẩn sống lâu đời nhất trên hành tinh xuất hiện vào thời điểm bầu khí quyển của Trái đất chứa nhiều CO2. Được gọi là acetogens và methanogens, vi sinh vật đã phát triển các con đường trao đổi chất đơn giản sử dụng chất xúc tác enzyme để chuyển CO2 và CO (carbon monoxide) thành phân tử hữu cơ. Trong khí quyển, CO phản ứng với oxy tạo thành CO2. Trong thập kỷ qua, nhiều nhà nghiên cứu tiềm năng của vi sinh vật trong việc loại bỏ các khí này khỏi bầu khí quyển và biến chúng thành các sản phẩm hữu ích.

Năm 2021, công ty quần áo Zara bắt đầu sử dụng vải polyester của công ty tái chế carbon LanzaTech (Mỹ) cho một dòng váy. Etanol được sử dụng để tạo ra các sản phẩm này đến từ hai cơ sở thương mại của LanzaTech ở Trung Quốc, cơ sở đầu tiên chuyển hóa khí thải CO - một khí thải chính từ các nhà máy thép - thành etanol. Etanol trải qua hai bước nữa để trở thành polyester.

LanzaTech hợp tác với các nhà máy thép gần Bắc Kinh và ở trung tâm Trung Quốc, cung cấp carbon monoxide vào lò phản ứng sinh học chứa đầy vi khuẩn của LanzaTech. Sản xuất thép thải ra gần 2 tấn CO2 đối với mỗi tấn thép được sản xuất. Ngược lại, một nghiên cứu đánh giá quy trình sản xuất ethanol của LanzaTech cho phép giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính khoảng 80% so với ethanol làm từ nhiên liệu hóa thạch.

Tháng 2-2022, nhóm nhà nghiên cứu từ LanzaTech, Đại học Northwestern ở Evanston và những người khác báo cáo trên Nature Biotechnology rằng họ đã biến đổi gen vi khuẩn Clostridium tạo ra axeton và isopropanol - hai hóa chất công nghiệp dựa trên nhiên liệu hóa thạch khác. Giám đốc điều hành công ty Jennifer Holmgren cho biết chất thải duy nhất là vi khuẩn chết, có thể được sử dụng làm phân trộn hoặc thức ăn gia súc. Các nhà nghiên cứu khác đang bỏ qua các vi sinh vật sống và chỉ sử dụng các chất xúc tác của chúng.

Hơn một thập kỷ trước, nhà hóa học Charles Dismukes, Đại học Rutgers (Mỹ) bắt đầu xem xét acetogens và methanogens như một cách để sử dụng carbon trong khí quyển. Dismukes bị hấp dẫn bởi khả năng giải phóng năng lượng của chúng khi tạo ra các khối xây dựng carbon từ CO2, một phản ứng thường cần năng lượng. Dismukes và nhóm của mình tập trung vào chất xúc tác niken phosphide của vi khuẩn, chịu trách nhiệm cho phản ứng carbon giải phóng năng lượng.

Dismukes và đồng nghiệp phát triển 6 chất xúc tác điện có thể tạo ra monome ở nhiệt độ và áp suất phòng chỉ sử dụng CO2, nước và điện. Karin Calvinho, một cựu sinh viên của Dismukes, hiện là giám đốc kỹ thuật, cho biết con đường giải phóng năng lượng của chất xúc tác niken phosphide “cho phép giảm điện áp cần thiết để chạy phản ứng, giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng của quá trình đồng thời cải thiện lượng khí thải carbon”.

RenewCO2 (nhóm khởi nghiệp của Dismukes thành lập năm 2018) có kế hoạch bán các monome của mình, bao gồm cả monoetylen glycol, cho những công ty nào muốn giảm lượng khí thải carbon của họ. Trong tương lai, công ty dự định thu được CO2 từ sinh khối hoặc khí thải công nghiệp.