VINACHEM

Ngày nay, một số loại nhiên liệu sinh học như mùn cưa sản xuất từ phế thải gỗ có thể được sử dụng như nhiên liệu trung lập về phát thải cacbon để thay thế cho dầu mỏ. Nhưng hiệu quả kinh tế của dạng nhiên liệu sinh học này hiện chưa cao và chúng không thể được ứng dụng hiệu quả nếu không có các biện pháp hỗ trợ về mặt chính sách như thuế phát thải cacbon hoặc các chương trình trợ cấp khác của các chính phủ. Nay các nhà khoa học tại Đại học George Washington (Mỹ) đã tìm ra phương pháp giúp tăng mạnh giá trị của quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học từ phế thải gỗ, đó là chuyển hóa sản phẩm phụ của quá trình này thành graphit có độ tinh khiết cao, với chất lượng đủ tốt để có thể sử dụng làm điện cực ắc quy ion liti.

Quá trình nhiệt phân để phân hủy nguyên liệu hữu cơ trong điều kiện yếm khí ở nhiệt độ cao là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để chuyển hóa phế thải của các nhà máy chế biến gỗ thành nhiên liệu đốt và nhiên liệu vận tải. Quá trình này phân hủy polyme lignoxenluloza - thành phần giúp cho gỗ và một số cây trồng khác trở nên vững chắc. Quá trình nhiệt phân tạo ra cả dầu, có thể tinh chế thành nhiên liệu điêzen, và sản phẩm phụ tương tự như than củi, được gọi là than sinh học.

Tuy nhiệt phân là quá trình rẻ tiền nhất để chuyển hóa sinh khối lignoxenluloza thành dầu sinh học, nhưng nó vẫn chưa có hiệu quả kinh tế tốt. Vì vậy, các nhà khoa học tại Đại học George Washington đã khảo sát những phương pháp làm tăng giá trị cho quá trình này bằng cách tìm ra những ứng dụng mới cho than sinh học. Từ những khảo sát đó họ đã phát hiện ra rằng có thể sử dụng than sinh học để sản xuất graphit.

Các nhà nghiên cứu đã bắt đầu bằng cách sản xuất than sinh học: Họ phối trộn mùn cưa gỗ cứng với các vi hạt sắt và ép thành các hạt có đường kính 20 nm. Sau khi khoan lỗ ở giữa các hạt, họ gia nhiệt chúng lên 600oC trong môi trường khí nitơ. Quá trình nhiệt phân này tạo ra các viên than sinh học với khối lượng bằng khoảng 40% khối lượng các hạt ép ban đầu.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu sử dụng một công cụ mà họ biết rằng có thể giúp chuyển hóa vật liệu hữu cơ thành các dạng phân tử cacbon khác: đó là laze hồng ngoại. Sử dụng các lỗ đã khoan trước, họ cắm các viên than sinh học vào xiên kim loại và cho tia laze tác động lên trong khi quay các xiên này - tương tự như cách nướng thịt bằng xiên quay trên bếp lửa. Sau đó, khi cạo ra và khảo sát lớp vỏ ngoài của các viên, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng họ đã chế tạo được graphit.

Ban đầu, các nhà khoa học không quá phấn khởi trước phát hiện mới, vì graphit hiện đã là vật liệu khá thông dụng. Tuy nhiên, khi xem xét kỹ hơn họ thấy vật liệu mới tạo thành không chỉ rẻ tiền mà còn có chất lượng tốt. Graphit làm từ than sinh học là loại vật liệu mà các nhà hóa học trong lĩnh vực pin và ắc quy gọi là “graphit vảy khoai tây”, nó được làm từ nhiều tấm graphen có cấu trúc thẳng hàng với nhau, trong đó các nguyên tử cacbon được đặt trong các lỗ trống tương ứng ở các lớp trên và dưới. Sản xuất graphit có độ tinh khiết cao, với cấu trúc thích hợp để sản xuất điện cực ắc quy, là điều không khả thi với hầu hết nguyên liệu hữu cơ. Tạp chất trong nguyên liệu đầu vào hoặc các liên kết ngang được tạo thêm trong quá trình nhiệt phân có thể ngăn không cho các tấm graphen trượt vào vị trí thích hợp để tạo ra các “vảy khoai tây” hoàn hảo như trên. Các nhà nghiên cứu cho rằng, trong thí nghiệm của họ các xung laze đã giúp các tấm graphen sắp xếp thẳng hàng với nhau.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã rửa các viên than trong axit để hòa tan sắt rồi xử lý graphit thành điện cực và thử nghiệm điện cực mới trong các pin ion liti cỡ đồng xu. Khi họ nghiền graphit để cho các viên trở nên đặc hơn, điện cực bằng than sinh học như trên đã hoạt động cũng tốt như điện cực làm từ các nguồn graphit truyền thống (chủ yếu khai thác hoặc sản xuất từ một số dạng thù hình nhất định của than). Theo mô hình kinh tế của mình, các nhà khoa học dự báo việc chế tạo graphit đạt chất lượng dùng cho pin và ắc quy sẽ giúp tăng ba bậc giá trị của các sản phẩm thu được trong quy trình trên.

Theo một nhà hóa học tại Đại học Cornell (Mỹ), quy trình nói trên thực sự có thể thay đổi hiệu quả kinh tế của các quá trình nhiệt phân. Việc chuyển hóa sản phẩm phụ là than sinh học với giá trị thấp thành những vật liệu giá trị cao như graphit đạt chất lượng sản xuất pin và ắc quy có thể khiến cho các quá trình nhiệt phân phế thải sinh học trở nên hữu ích hơn.

Các nhà khoa học tại Đại học George Washington dự định sẽ nâng cấp quy trình của mình để sản xuất một số kg graphit cho mục đích thử nghiệm. Đây là điều khả thi vì tất cả các kỹ thuật cần thiết hiện đang được áp dụng trong các quá trình công nghiệp khác nhau.

HS

Theo Chemical & Engineering News, 8/2018