Tổng quan nghiên cứu

Biến đổi khí hậu do sự gia tăng lượng khí thải carbon dioxide (CO2) đang trở thành thách thức toàn cầu nghiêm trọng. Theo dự báo, nhu cầu năng lượng toàn cầu sẽ tăng khoảng 30% trong giai đoạn 2015 – 2040, trong đó các nước phát triển ở châu Á có thể tăng đến 50%. Nguồn nhiên liệu hóa thạch hiện nay không chỉ dần cạn kiệt mà còn gây ra lượng lớn khí thải CO2, góp phần làm nóng lên toàn cầu và hiệu ứng nhà kính. Do đó, việc chuyển hóa CO2 thành nhiên liệu sạch như methane (CH4) thông qua phản ứng methane hóa CO2 được xem là giải pháp tiềm năng nhằm giảm phát thải và tận dụng nguồn khí thải này.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo xúc tác nickel/hydroxyapatite (Ni/HA) biến tính zirconia (ZrO2) và ruthenium (Ru) cho phản ứng methane hóa CO2. Mục tiêu chính là xác định hàm lượng biến tính ZrO2 và Ru phù hợp để nâng cao hiệu suất chuyển hóa CO2 thành CH4, đồng thời làm rõ vai trò của các chất biến tính này đối với đặc tính lý hóa và hoạt tính xúc tác. Nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện áp suất khí quyển, nhiệt độ phản ứng từ 250 đến 400 oC, với tỉ lệ H2/CO2 là 4/1.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc phát triển hệ xúc tác có hiệu suất cao, ổn định, chi phí hợp lý, góp phần thúc đẩy công nghệ chuyển hóa CO2 thành nhiên liệu sạch, hỗ trợ giảm phát thải khí nhà kính và phát triển năng lượng tái tạo. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong các ngành công nghiệp xử lý khí thải và sản xuất khí thiên nhiên tổng hợp (SNG) theo quy trình Power to Gas (PtG).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Phản ứng methane hóa CO2 (phản ứng Sabatier): Quá trình chuyển hóa CO2 và H2 thành CH4 và H2O, tỏa nhiệt, thường thực hiện ở nhiệt độ 200 – 400 oC. Cơ chế phản ứng có thể qua trung gian CO hoặc trực tiếp hydro hóa CO2, phụ thuộc vào loại xúc tác.

  • Tương tác kim loại – chất mang (Metal-Support Interaction - MSI): Sự tương tác giữa kim loại hoạt động (Ni, Ru) và chất mang (HA, ZrO2) ảnh hưởng đến sự phân tán kim loại, khả năng khử và hoạt tính xúc tác.

  • Khái niệm về chất mang hydroxyapatite (HA): HA có cấu trúc tinh thể lục phương, có khả năng trao đổi ion, tạo các tâm base yếu hỗ trợ hấp phụ CO2, giúp phân tán kim loại và ổn định xúc tác.

  • Biến tính xúc tác: Việc bổ sung ZrO2 giúp tăng diện tích bề mặt, khả năng hấp phụ CO2 và ổn định kim loại Ni; Ru có hoạt tính cao ở nhiệt độ thấp, tăng tính khử của xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Xúc tác Ni/HA biến tính ZrO2 và Ru được điều chế bằng phương pháp tẩm đồng thời với hàm lượng Ni cố định 10% khối lượng, ZrO2 từ 2 đến 6% và Ru từ 0,1 đến 0,3% khối lượng.

  • Phân tích tính chất lý hóa: Sử dụng các kỹ thuật hiện đại như XRD để xác định thành phần pha, SEM và HRTEM để quan sát hình thái bề mặt và kích thước hạt, EDS để phân tích thành phần nguyên tố, BET để đo diện tích bề mặt riêng và kích thước lỗ xốp, CO2-TPD để khảo sát khả năng hấp phụ CO2, H2-TPR để đánh giá khả năng khử của xúc tác.

  • Khảo sát hoạt tính xúc tác: Thực hiện phản ứng methane hóa CO2 trên sơ đồ dòng vi lượng, áp suất khí quyển, tỉ lệ H2/CO2 = 4/1, nhiệt độ từ 250 đến 400 oC. Đánh giá độ chuyển hóa CO2 và độ chọn lọc CH4.

  • Đánh giá độ bền xúc tác: Theo dõi hoạt tính và tính chất lý hóa của xúc tác 10Ni4ZrHA sau 50 giờ phản ứng liên tục.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2023 tại Phòng Quá trình Thiết bị và Xúc tác, Viện Công nghệ Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của hàm lượng ZrO2: Xúc tác 10Ni/HA biến tính ZrO2 với hàm lượng 4% có diện tích bề mặt riêng 19,7 m²/g, thể tích lỗ xốp 0,032 cm³/g và đường kính lỗ xốp 2,56 nm. Ở nhiệt độ 400 oC, xúc tác này đạt độ chuyển hóa CO2 cao nhất 92,9% và độ chọn lọc CH4 gần 100%.

  2. Ảnh hưởng của hàm lượng Ru: Xúc tác 10Ni/HA biến tính 0,1% Ru có diện tích bề mặt riêng 10,9 m²/g, thể tích lỗ xốp 0,028 cm³/g, đường kính lỗ xốp 2,34 nm. Ở 375 oC, độ chuyển hóa CO2 đạt 98,2%, vượt trội so với xúc tác 10Ni4ZrHA (92,9% tại 400 oC) và 10NiHA (80,8% tại 400 oC).

  3. Kết hợp đồng thời ZrO2 và Ru: Khi bổ sung Ru vào xúc tác 10Ni4ZrHA, độ chuyển hóa CO2 giảm xuống còn 76,2% (0,1% Ru) và 62,5% (0,3% Ru) tại 400 oC, thấp hơn đáng kể so với xúc tác đơn biến tính.

  4. Độ bền xúc tác: Xúc tác 10Ni4ZrHA duy trì hoạt tính ổn định trong 50 giờ phản ứng liên tục ở 350 oC, không có dấu hiệu thiêu kết hay biến đổi cấu trúc rõ rệt theo phân tích XRD, SEM và TEM.

Thảo luận kết quả

Việc bổ sung ZrO2 giúp tăng diện tích bề mặt và khả năng hấp phụ CO2, từ đó nâng cao hiệu suất chuyển hóa CO2. ZrO2 cũng hỗ trợ phân tán Ni tốt hơn và ổn định các tâm kim loại hoạt động, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vai trò của oxide kim loại trong xúc tác methane hóa.

Ru là kim loại quý có hoạt tính cao ở nhiệt độ thấp, giúp tăng tính khử của xúc tác và cải thiện hiệu quả chuyển hóa CO2. Tuy nhiên, khi kết hợp Ru và ZrO2 đồng thời trên chất mang HA, sự tương tác giữa các thành phần có thể làm giảm hiệu quả xúc tác do thay đổi cấu trúc bề mặt và phân bố kim loại, dẫn đến giảm hoạt tính.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ chuyển hóa CO2 và độ chọn lọc CH4 của các xúc tác với hàm lượng biến tính khác nhau, cũng như hình ảnh SEM và TEM minh họa sự phân tán và kích thước hạt kim loại.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trong ngành, khẳng định vai trò quan trọng của việc lựa chọn và điều chỉnh hàm lượng biến tính để tối ưu hóa hiệu suất xúc tác methane hóa CO2.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hàm lượng biến tính ZrO2: Khuyến nghị sử dụng hàm lượng ZrO2 khoảng 4% khối lượng để đạt hiệu suất chuyển hóa CO2 cao và ổn định. Chủ thể thực hiện: các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất xúc tác. Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn phát triển sản phẩm.

  2. Sử dụng Ru với hàm lượng thấp: Bổ sung Ru khoảng 0,1% giúp cải thiện hoạt tính ở nhiệt độ thấp, phù hợp cho các ứng dụng cần vận hành ở điều kiện nhiệt độ dưới 400 oC. Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm và nhà máy sản xuất xúc tác. Timeline: nghiên cứu tiếp tục và thử nghiệm quy mô pilot.

  3. Tránh kết hợp đồng thời Ru và ZrO2 với hàm lượng cao: Do sự kết hợp này làm giảm hiệu quả xúc tác, nên cần nghiên cứu thêm hoặc hạn chế sử dụng đồng thời hai biến tính này trong cùng một hệ xúc tác. Chủ thể: nhà nghiên cứu phát triển sản phẩm. Thời gian: nghiên cứu tiếp theo trong 1-2 năm.

  4. Đánh giá độ bền xúc tác trong điều kiện thực tế: Khuyến nghị thực hiện các thử nghiệm dài hạn trên xúc tác 10Ni4ZrHA để đảm bảo tính ổn định và khả năng ứng dụng công nghiệp. Chủ thể: các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp. Timeline: 6-12 tháng.

  5. Phát triển quy trình tổng hợp xúc tác quy mô lớn: Áp dụng phương pháp tẩm đồng thời đã được chứng minh hiệu quả để sản xuất xúc tác với chất lượng đồng nhất, chi phí hợp lý. Chủ thể: nhà sản xuất xúc tác. Thời gian: 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về chế tạo và đánh giá xúc tác cho phản ứng methane hóa CO2, hỗ trợ phát triển đề tài liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất xúc tác và công nghệ môi trường: Tham khảo để phát triển sản phẩm xúc tác hiệu quả, ổn định, phù hợp với yêu cầu công nghiệp xử lý khí thải và sản xuất nhiên liệu sạch.

  3. Chuyên gia trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và chuyển hóa khí: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình Power to Gas, nâng cao hiệu quả chuyển đổi CO2 thành khí thiên nhiên tổng hợp.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Sử dụng thông tin để đánh giá và thúc đẩy các công nghệ giảm phát thải CO2, hỗ trợ các chương trình phát triển bền vững và chuyển đổi năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn nickel làm kim loại hoạt động chính trong xúc tác?
    Nickel có hoạt tính cao, độ chọn lọc tốt và chi phí thấp so với các kim loại quý như ruthenium, giúp cân bằng hiệu quả và kinh tế trong phản ứng methane hóa CO2.

  2. Vai trò của hydroxyapatite (HA) trong xúc tác là gì?
    HA làm chất mang có khả năng trao đổi ion, tạo các tâm base yếu hỗ trợ hấp phụ CO2, giúp phân tán kim loại và ổn định cấu trúc xúc tác, từ đó nâng cao hiệu suất phản ứng.

  3. Tại sao hàm lượng Ru cao lại làm giảm hiệu quả xúc tác khi kết hợp với ZrO2?
    Sự kết hợp đồng thời Ru và ZrO2 có thể gây thay đổi cấu trúc bề mặt và phân bố kim loại không đồng đều, làm giảm khả năng khử và hoạt tính xúc tác, dẫn đến hiệu suất thấp hơn.

  4. Nhiệt độ phản ứng tối ưu cho xúc tác 10Ni4ZrHA là bao nhiêu?
    Nhiệt độ tối ưu là khoảng 400 oC, tại đó xúc tác đạt độ chuyển hóa CO2 lên đến 92,9% và độ chọn lọc CH4 gần 100%.

  5. Xúc tác có thể duy trì hoạt tính trong bao lâu?
    Xúc tác 10Ni4ZrHA đã được chứng minh duy trì hoạt tính ổn định trong 50 giờ phản ứng liên tục ở 350 oC, không có dấu hiệu suy giảm đáng kể.

Kết luận

  • Đã chế tạo thành công xúc tác nickel/hydroxyapatite biến tính zirconia và ruthenium với hàm lượng biến tính tối ưu, nâng cao hiệu suất methane hóa CO2.
  • Xúc tác 10Ni4ZrHA đạt độ chuyển hóa CO2 92,9% và độ chọn lọc CH4 gần 100% ở 400 oC, đồng thời có độ bền cao sau 50 giờ phản ứng.
  • Bổ sung Ru 0,1% cải thiện hoạt tính ở nhiệt độ thấp, đạt 98,2% chuyển hóa CO2 tại 375 oC, nhưng kết hợp đồng thời Ru và ZrO2 không mang lại hiệu quả tích cực.
  • Phương pháp tẩm đồng thời là kỹ thuật hiệu quả để điều chế xúc tác với phân bố kim loại đồng đều và đặc tính lý hóa tốt.
  • Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa xúc tác và mở rộng thử nghiệm quy mô lớn để ứng dụng công nghiệp, góp phần giảm phát thải CO2 và phát triển năng lượng sạch.

Hành động tiếp theo là triển khai nghiên cứu ứng dụng xúc tác trong quy mô pilot và đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật nhằm thúc đẩy chuyển giao công nghệ.