VINACHEM

Ngày nay, sản xuất các sản phẩm hóa chất chiếm khoảng một phần tư nhu cầu năng lượng của thế giới. Phần lớn năng lượng được sử dụng cho các quá trình sản xuất hóa chất được chuyển thành nhiệt để thực hiện các phản ứng nhiệt hóa học.

Mới đây, các nhà nghiên cứu tại ĐHTH New york đã phát triển thiết bị phản ứng sử dụng năng lượng tái sinh để thực hiện phản ứng tổng hợp điện hóa, thay cho phản ứng nhiệt hóa học thông thường. Trong giai đoạn đầu tiên của dự án nghiên cứu, các nhà khoa học đã tập trung vào việc “xanh hóa” phản ứng tổng hợp điện hóa phổ biến nhất trong sản xuất hóa chất ngày nay: quá trình chuyển hóa acrylonitril (AN) thành adiponitril (ADN) - nguyên liệu cho sản xuất nylon.

Từ tổng hợp nhiệt hóa học đến tổng hợp điện hóa

Yêu cầu giảm sự phụ thuộc của các quá trình công nghiệp vào các nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch đã trở nên ngày càng cấp bách cùng với sự gia tăng nhanh chóng của nhu cầu năng lượng toàn cầu và nhiều nỗ lực trên thế giới nhằm mục đích giảm nhẹ quá trình biến đổi khí hậu đang diễn ra ngày nay.

Sản xuất hóa chất là những quá trình tiêu thụ nhiều năng lượng, đòi hỏi những lượng nhiệt lớn từ nhiên liệu hóa thạch để thúc đẩy các phản ứng nhiệt hóa học.

Nhưng ngày nay, các quá trình tổng hợp điện hóa đang nổi lên như nền tảng đầy hứa hẹn cho việc sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh trong công nghiệp hóa chất. Các quá trình tổng hợp điện hóa có thể trực tiếp chuyển đổi điện năng sạch thành năng lượng hóa học, qua đó giảm mạnh phát thải CO2 của các quá trình nhiệt hóa học hiện nay. Hơn nữa, sản xuất các hợp chất hữu cơ bằng phương pháp điện hóa đang trở thành cơ hội để cải thiện hiệu quả sản xuất và tiếp cận các quá trình phản ứng chưa khai thác, với tiềm năng chuyển đổi sản xuất hóa chất ở quy mô công nghiệp.

Các quá trình tổng hợp điện hóa có những triển vọng đầy hứa hẹn trong công nghiệp hóa chất, đặc biệt là do các phản ứng oxy hóa khử đang chiếm một tỷ lệ lớn trong các quá trình sản xuất hóa chất quy mô lớn ngày nay. Chỉ một phần nhỏ các quá trình sản xuất hóa chất hiện nay là có bản chất điện hóa, hầu hết tập trung trong các ngành sản xuất xút-clo và sản xuất nhôm.

Tuy quá trình tổng hợp điện hóa có sản lượng thấp hơn đáng kể so với quá trình nhiệt hóa học, việc áp dụng rộng rãi tổng hợp điện hóa có thể dẫn đến những cải thiện bền vững trong sản xuất hơn 75% các sản phẩm hóa chất. Hơn nữa, các quá trình tổng hợp điện hóa sử dụng năng lượng tái sinh để sản xuất các hợp chất hữu cơ giá trị cao nên có thể góp phần giảm phát thải CO2 của công nghiệp hóa chất toàn cầu. Việc khai thác những quá trình như vậy là cơ hội rõ ràng để hỗ trợ sự phát triển của một ngành công nghiệp hóa chất không phát thải.

Những thách thức đối với quá trình tổng hợp điện hóa

Các phản ứng tổng hợp điện hóa hữu cơ sử dụng điện năng (không phải nhiệt năng như ở các phản ứng thông thường khác) để thúc đẩy các phản ứng hóa học. Khi nguồn cung năng lượng tái sinh tăng mạnh như hiện nay, các phản ứng tổng hợp điện hóa hữu cơ có thể được dễ dàng thực hiện nhờ năng lượng Mặt Trời, năng lượng gió hoặc các dạng năng lượng tái sinh khác.

Với thiết bị phản ứng của mình, chỉ sử dụng năng lượng Mặt Trời và phế thải cây trồng, các nhà khoa học New York ước tính phản ứng tổng hợp điện hóa có thể được áp dụng để sản xuất khoảng một phần ba các sản phẩm hóa học cũng như tạo ra những sản phẩm mới, vì dạng chuyển hóa hóa học này cho đến nay vẫn chưa được khai thác tốt.

Nhưng hiện tại cần phải vượt qua 3 thách thức lớn để có thể thực hiện các quá trình tổng hợp điện hóa hữu cơ ở quy mô lớn. Những thách thức đó là: tính ổn định hạn chế của các dung dịch điện ly, độ tan thấp của các chất phản ứng trong những chất điện ly đó, sự có mặt của nhiều chuỗi phản ứng có thể dẫn đến những sản phẩm phụ không mong muốn.

HS

Theo Chemistry & Industry, 2/2019