VINACHEM

Biến đổi khí hậu có thể là cuộc khủng hoảng môi trường lớn nhất mà nhân loại phải đối đầu trong thế kỷ 21, đòi hỏi phải có một giải pháp quốc tế liên ngành và liên chính phủ. Hàm lượng CO₂trong khí quyển đã tăng liên tục trong vài thập niên qua, ước tính năm 2017 đã tăng 2%, bất chấp nhiều nỗ lực đã được thực hiện nhằm hạn chế phát thải khí này.

Hiện tượng ấm lên của Trái Đất đang trở thành một cuộc khủng hoảng toàn cầu. Những quốc gia công nghiệp mới nổi như Trung Quốc và Ấn Độ đã sử dụng nhiên liệu hóa thạch như nguồn năng lượng chủ yếu cho công nghiệp hóa chất của mình. Hậu quả là các nước này đã nhanh chóng trở thành nguồn phát thải CO₂ lớn nhất thế giới, bên cạnh các quốc gia công nghiệp đã phát triển. Tổ chức Y tế thế giới (WHO) ước tính, trong thời gian 2030-2050 tác động của biến đổi khí hậu sẽ làm tăng thêm khoảng 250.000 trường hợp tử vong do thiếu dinh dưỡng, bệnh sốt rét và sốc nhiệt.

Phát thải CO₂

CO₂ tích tụ trong khí quyển cùng với hơi nước và các khí khác đang tạo thành hiệu ứng nhà kính, khi nhiệt phản xạ từ bề mặt Trái Đất được giữ lại trong khí quyển và làm tăng nhiệt độ toàn cầu. Để có thể đạt mục tiêu hạn chế mức tăng nhiệt độ toàn cầu ở 2^oC, phát thải CO₂ phải được cắt giảm tối thiểu 50% vào năm 2050.

Ngày nay, sự gia tăng hàm lượng CO₂ trong khí quyển đã được công nhận rộng rãi là yếu tố chính góp phần gây ra hiện tượng ấm lên toàn cầu. Vì vậy, nhiều quốc gia đã cam kết cắt giảm phát thải CO₂ trong những năm tới.

Tuy nhiên, chúng ta không thể loại bỏ tất cả các quá trình tạo ra CO₂. Xã hội công nghiệp hiện đại phụ thuộc quá nhiều vào những sản phẩm được sản xuất trong các quá trình tạo ra phát thải CO₂. Nhiều quá trình tự nhiên cũng tạo ra CO₂, ví dụ cháy rừng hoặc các hoạt động núi lửa, nhưng hoạt động của con người vẫn là nguồn phát thải CO₂ lớn nhất. Đó là phát thải từ các loại xe động cơ chạy xăng và các quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí thiên nhiên, than. Trên thực tế, các nhà khoa học đã tính toán khoảng 40% phát thải CO₂ trên toàn cầu được tạo ra từ các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Việc loại bỏ những nguồn phát thải này là bất khả thi. Vì vậy, cần phải tìm ra các phương án thay thế khác.

Hiện có nhiều giải pháp khác nhau đã được đề xuất đối với vấn đề phát thải CO₂, các ngành công nghiệp cũng như các cơ sở khoa học đang theo đuổi nhiều hướng nghiên cứu để giải quyết vấn đề này. Trong những năm gần đây, việc sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh đang được quan tâm đặc biệt. Hiện nay, các thiết bị thu giữ năng lượng Mặt Trời và các trang trại điện gió đã có mặt ở khắp nơi trên thế giới. Ví dụ, trong thời gian từ tháng 4 đến tháng 6/2017, năng lượng tái sinh chiếm gần một phần ba sản lượng điện của nước Anh. Gần 16% sản lượng điện của bang California (Mỹ) là đến từ năng lượng Mặt Trời và bang này đang đặt ra mục tiêu là đến năm 2030 một nửa sản lượng điện sẽ đến từ các nguồn năng lượng tái tạo.

Tuy lượng sử dụng đã tăng lên trong những năm qua, năng lượng tái sinh vẫn chưa thể thay thế nhiên liệu hóa thạch, vì vậy phát thải CO₂ sẽ vẫn tiếp tục diễn ra.

Các phương án thu giữ, lưu trữ và sử dụng

Hai phương án đang được xem xét rộng rãi hiện nay đều đặt ra mục tiêu thu giữ CO2 trước khi phát thải vào khí quyển. Phương án thứ nhất là thu giữ và lưu trữ CO₂, phương án thứ hai là thu giữ và sử dụng CO₂.

Hai phương án trên đều áp dụng công nghệ thu giữ CO₂ tại các nhà máy nhiệt điện hoặc các quá trình công nghiệp trước khi phát thải ra ngoài. Nhìn chung, công nghệ thu giữ có thể được chia thành 3 loại: Công nghệ thứ nhất là thu giữ sau khi chuyển hóa, ở đây phế thải CO₂ của quá trình được tách ra khỏi dòng khí thải. Công nghệ thứ hai là thu giữ trước khi chuyển hóa, ở đây CO₂ đã được tạo ra như sản phẩm phụ không mong muốn và cần phải được loại bỏ. ở cả hai công nghệ này, CO₂ có thể được thu giữ bằng các phương pháp hấp thụ và hấp phụ, ví dụ bằng dung môi hóa chất hoặc vật liệu hữu cơ xốp. Công nghệ thứ ba là thu giữ bằng cách đốt hỗn hợp oxy - nhiên liệu, ở đây nhiên liệu được đốt với oxy tinh khiết, tạo ra phát thải CO₂ có độ tinh khiết cao, không có các hợp chất nitơ.

Sau khi thu giữ, CO₂ được nén và vận chuyển đến nơi lưu trữ hoặc sử dụng. Nơi lưu trữ thường là các cấu trúc đất đá tự nhiên. Tuy nhiên, có nhiều thách thức cần phải đề cập trước khi phương án thu giữ và lưu trữ CO₂ có thể được coi như giải pháp cho cuộc khủng hoảng môi trường toàn cầu hiện nay, đó là những thách thức về công nghệ lưu trữ và chi phí bơm CO₂ vào cấu trúc đất đá. Một trong những cản trở lớn về mặt kinh tế là có quá ít khuyến khích tài chính, khiến cho quá trình triển khai áp dụng phương pháp thu giữ và lưu trữ CO₂ diễn ra chậm chạp.

Một phương án thay thế khả thi cho việc lưu trữ CO₂ là sử dụng cacbon làm nguyên liệu C1 để tạo ra nhiều sản phẩm hữu ích, kể cả các sản phẩm hóa dầu.

Đa số các phản ứng tổng hợp hữu cơ đều dựa trên việc tạo ra liên kết C-C. Hóa học hữu cơ có nhiều công cụ để áp dụng cho việc này, từ phản ứng Wittig và Grignard cho đến các phản ứng liên kết ngang và phản ứng trao đổi olefin. So với phương án lưu trữ, ưu điểm của phương án sử dụng CO2 làm nguyên liệu là có khuyến khích tài chính để các công ty công nghiệp chấp nhận và áp dụng vào thực tế. Khi sử dụng CO2 làm nguồn nguyên liệu thân thiện môi trường cho sản xuất hóa chất, chúng ta có thể sản xuất các sản phẩm hóa dầu hoặc hóa chất hàng hóa hữu ích khác, trong khi đó góp phần loại bỏ và sử dụng nguồn CO₂ dư thừa rất lớn hiện nay. Trong bối cảnh việc khai thác các nguồn nguyên liệu ngày càng trở nên khó khăn, tái chế CO2 thành hóa chất sẽ trở thành phương án hấp dẫn đối với công nghiệp hóa chất.

Sử dụng CO₂ làm nguyên liệu

Đối với việc sử dụng CO₂, yếu tố quan trọng cần phải được xem xét là tính ổn định của nó. Tính chất này khiến cho CO₂ rất bền vững trong môi trường và khí quyển. CO₂ có hoạt tính hóa học rất thấp, điều đó ngăn không cho nó tham gia các phản ứng hóa học. Tuy nhiên, CO₂ có thể được kích hoạt để trở nên hoạt hóa và tham gia nhiều phản ứng hữu ích. Một trong những phương pháp thông thường để đạt được mục tiêu này là sử dụng xúc tác. Nhưng do độ ổn định nhiệt động cơ bản của CO₂ nên cả những phản ứng xúc tác cũng đòi hỏi phải được cung cấp năng lượng từ bên ngoài. Vì vậy, nếu không muốn sử dụng các nguồn năng lượng sinh ra CO₂ thì cần sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh cho bước hoạt hóa này.

Sau khi đã kích hoạt, CO₂ sẽ trở thành nguyên liệu hóa chất đa năng, có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Nó có thể được sử dụng trực tiếp như tác nhân cacbonat hóa trong thực phẩm và đồ uống hoặc sử dụng làm khí bảo quản hàng hóa. Nó cũng được sử dụng như tác nhân hóa chất tiềm năng trong công nghiệp hóa dầu, ví dụ khi tổng hợp metanol - sản phẩm trung gian quan trọng đang được sử dụng ngày càng nhiều để làm nhiên liệu vận chuyển. Về cơ bản, công nghệ này chuyển hóa khí từ không khí thành nhiên liệu hữu ích. Hơn nữa, CO₂ có thể tham gia các phản ứng khác nhau như carboxyl hóa để sản xuất cacbonat, acrylat và polyme.

Tuy nhiên, chi phí năng lượng của quá trình kích hoạt CO₂ cần phải được xem xét, vì nó có thể cản trở khả năng áp dụng quá trình tổng hợp sản phẩm hóa dầu ở quy mô công nghiệp. Hơn nữa, các sản phẩm hóa dầu thông thường đều có tuổi thọ tương đối ngắn, khiến cho CO₂ lại sẽ phát sinh khi sản phẩm bị đốt bỏ để tiêu hủy sau khi sử dụng.

Quá trình cacbonat hóa khoáng chất là một trong những quá trình hóa học tiêu thụ CO₂ đồng thời tạo ra các sản phẩm thương mại hữu ích. Canxi và magiê hiện có ở nhiều nơi trên thế giới ở dạng các khoáng chất silicat tự nhiên như serpentin và olivin. Quá trình tạo thành cacbonat cũng diễn ra thuận lợi và tỏa nhiệt.

Cacbonat là nguyên liệu hữu ích, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, từ mỹ phẩm, dược phẩm đến gạch chịu lửa. Nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua: sản xuất cacbonat chưa khả thi ở quy mô công nghiệp vì chi phí năng lượng còn cao. Nếu được nghiên cứu và cải tiến tiếp, phương pháp này có thể trở thành phương án khả thi để tách và sử dụng CO₂.

Hiện nay, quá trình nghiên cứu tìm kiếm câu trả lời cho những thách thức về môi trường của tương lai vẫn đang tiếp tục. Công nghệ thu giữ, lưu trữ và sử dụng CO₂ có thể sẽ được cải thiện đến phạm vi khiến cho CO₂ không còn là tác nhân gây biến đổi khí hậu mà là nguyên liệu hóa chất tạo ra các sản phẩm hữu ích. Với việc đề cập vấn đề môi trường quan trọng này, ngành hóa chất có thể phát triển những giải pháp mà cuối cùng sẽ dẫn đến tương lai xanh hơn và bền vững hơn cho nhân loại.

LH

Theo ChemistryWorld, 7/2018