VINACHEM

Năm 1900, dân số thế giới mới chỉ dưới mức 2 tỷ người, nhưng đến năm 2019 con số này đã lên đến hơn 7 tỷ người. Một phần nguyên nhân của sự bùng nổ dân số này là những tiến bộ nhanh chóng trong sản xuất lương thực thực phẩm của ngành nông nghiệp, đặc biệt là việc sử dụng rộng rãi các loại phân bón dựa trên amoniăc. Cho đến nay, nguồn cung amoniăc chủ yếu cho sản xuất phân bón vẫn là quá trình Haber-Bosch. Tuy nhiều người cho rằng đây là một trong những thành tựu quan trọng nhất mọi thời đại, nhưng cái giá phải trả để thu được amoniăc cũng không phải nhỏ.

Quá trình Haber-Bosch chỉ chuyển hóa 10% nguyên liệu ban đầu sau mỗi chu kỳ phản ứng, vì vậy cần phải tiến hành nhiều chu kỳ phản ứng để có thể tận dụng hết những nguyên liệu này. Một trong những nguyên liệu như vậy là hydro, được sản xuất từ nguồn nhiên liệu hóa thạch. Trong quá trình Haber-Bosch, hydo được cho liên kết với nitơ ở nhiệt độ khoảng 400-600^oC và áp suất khoảng 100-200 atm, vì vậy chi phí năng lượng rất cao.

Trong nỗ lực cải thiện tình hình trên, mới đây các nhà nghiên cứu tại Đại học Tổng hợp Tokyo (Nhật Bản) đã công bố phương pháp sản xuất amoniăc bằng quá trình SWAP (Samarium - Water Ammonia Production) của mình, đây là quá trình sản xuất amoniăc nhờ nguyên tố đất hiếm Samarium và xúc tác molybden.

Theo người phụ trách nhóm nghiên cứu là giáo sư Yoshihaki Nishibayashi, trên toàn thế giới quá trình Haber-Bosch hiện tiêu thụ 3-5 tổng sản lượng khí thiên nhiên toàn cầu hàng năm, khoảng 1-2% toàn bộ nguồn cung năng lượng của thế giới. Trái lại, các cây họ đậu có chứa vi khuẩn cộng sinh với khả năng cố định nitơ và sản xuất amoniăc ở nhiệt độ cũng như áp suất bình thường. Các nhà khoa học Nhật Bản đã phân lập cơ chế này và tìm hiểu chức năng hoạt động của thành phần chức năng trong quá trình là enzym nitrogenaza.

Trong nhiều năm qua, giáo sư Nishibayashi và nhóm nghiên cứu đã sử dụng các chất xúc tác do họ tự chế tạo trong phát triển để thử nghiệm và mô phỏng phương pháp hoạt động của nitrogenaza. Nhiều nhà khoa học khác cũng đã tìm cách tiến hành những thử nghiệm như vậy, nhưng các chất xúc tác của họ chỉ tạo ra vài chục đến vài trăm phân tử amoniăc trước khi hết tác dụng. Trong khi đó, chất xúc tác molybden đặc biệt của các nhà khoa học Nhật Bản cho phép tạo ra 4.350 phân tử amoniăc trong khoảng 4 giờ trước khi mất tác dụng.

Theo các nhà khoa học Nhật Bản, quá trình SWAP của họ tạo ra amoniăc với tốc độ lớn gấp 300-500 lần tốc độ của quá trình Haber-Bosch và đạt hiệu quả chuyển hóa 90%. Nếu xét đến yếu tố quan trọng là mức tiết kiệm năng lượng rất lớn và việc sử dụng nguồn nguyên liệu rẻ tiền thì những ích lợi của quá trình này rất rõ ràng.

Quá trình SWAP lấy N₂ từ không khí, tương tự như quá trình Haber-Bosch, nhưng chất xúc tác molybden đặc biệt sẽ kết hợp N₂ với proton (H⁺) của nước và điện tử của samarium iôđua (SmI₂)^- cũng được biết đến như tác nhân Kagan. SmI₂ sẽ bị tiêu thụ trong quá trình SWAP, tuy nhiên có thể được phục hồi bằng cách sử dụng nguồn điện để bổ sung những điện tử đã mất.

Bất cứ ai có nguyên liệu thích hợp cũng có thể thực hiện quá trình SWAP trong phòng thí nghiệm, trong khi đó quá trình Haber-Bosch đòi hỏi phải sử dụng các thiết bị công nghiệp quy mô lớn. Vì vậy, quá trình SWAP sẽ tạo điều kiện tiếp cận cho những nhà sản xuất không có đủ vốn để đầu tư vào những thiết bị lớn và đắt tiền. Bản thân nguyên liệu được sử dụng cũng mang lại sự tiết kiệm rất lớn về chi phí và năng lượng.

Các nhà khoa học Nhật Bản hy vọng, quá trình SWAP sẽ giúp dân chủ hóa ngành sản xuất phân bón, cho phép sản xuất phân bón ngay tại những nơi có nhu cầu sử dụng lớn nhất. Quá trình này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí ban đầu mà còn giúp giảm chi phí vận hành và tiết kiệm năng lượng trong sản xuất Amoniăc.

HS

Theo ScienceDaily, 4/2019