Tổng quan nghiên cứu

Lượng phát thải CO2 toàn cầu liên quan đến năng lượng đã đạt mức kỷ lục 37,4 tỷ tấn vào năm 2023, tăng 1,1% so với năm trước, trong đó than đá chiếm hơn 65% mức tăng này. Mặc dù năng lượng sạch như điện gió và mặt trời đã tăng trưởng mạnh, với công suất toàn cầu đạt gần 540 GW vào năm 2023, lượng khí thải CO2 vẫn không ngừng gia tăng do biến đổi khí hậu và phục hồi kinh tế hậu Covid-19. Để đạt mục tiêu net-zero vào năm 2050, việc thu hồi và lưu trữ CO2 (CCS) được xem là giải pháp then chốt, đóng góp khoảng 5,9 tỷ tấn CO2 được lưu trữ hàng năm theo kịch bản của IEA.

Trong bối cảnh đó, zeolite – một loại vật liệu rây phân tử có cấu trúc tinh thể aluminosilicate – được nghiên cứu rộng rãi nhờ khả năng hấp phụ CO2 hiệu quả. Đặc biệt, zeolite loại GIS với cấu trúc mao quản nhỏ và khả năng trao đổi cation linh hoạt từ các kim loại kiềm và kiềm thổ được xem là ứng viên tiềm năng cho công nghệ thu hồi CO2. Luận văn tập trung đánh giá khả năng hấp phụ CO2 của zeolite GIS biến tính qua trao đổi cation với các kim loại kiềm (Na+, K+) và kiềm thổ (Mg2+, Ca2+, Sr2+), nhằm khảo sát ảnh hưởng của các cation này đến đặc tính hóa lý và hiệu suất hấp phụ CO2.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm tổng hợp zeolite GIS (ZP) và zeolite GIS-FAU (ZPY), biến tính bằng trao đổi cation, khảo sát đặc trưng cấu trúc vật liệu và đo khả năng hấp phụ CO2 trong điều kiện áp suất và nhiệt độ thường, nồng độ CO2 thấp (3% và 6,5%), cùng đánh giá khả năng tái sinh sau nhiều chu kỳ. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu hấp phụ CO2 hiệu quả, góp phần giảm thiểu phát thải khí nhà kính và hỗ trợ mục tiêu phát triển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Cấu trúc zeolite và trao đổi cation: Zeolite là tinh thể aluminosilicate với mạng lưới ba chiều gồm các tứ diện AlO4 và SiO4 liên kết qua oxy, tạo thành các khoang mao quản đồng đều. Các cation bù trừ điện tích (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Sr2+) nằm trong mạng tinh thể có thể được trao đổi mà không làm thay đổi cấu trúc cơ bản, ảnh hưởng đến tính chất hóa lý và khả năng hấp phụ CO2.

  • Mô hình hấp phụ khí và đặc trưng vật liệu: Phương pháp hấp phụ - giải hấp N2 ở 77K được sử dụng để xác định diện tích bề mặt riêng (BET), phân bố kích thước mao quản (BJH) và diện tích bề mặt bên ngoài (t-plot). Các đặc trưng này quyết định khả năng hấp phụ và chọn lọc phân tử CO2.

  • Phương pháp phân tích cấu trúc: Nhiễu xạ tia X (XRD) xác định cấu trúc tinh thể và độ tinh khiết của zeolite; kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phân tích phổ tán sắc năng lượng (EDS) khảo sát hình thái bề mặt và thành phần nguyên tố, giúp đánh giá hiệu quả trao đổi cation.

  • Khung lý thuyết hấp phụ CO2: Zeolite GIS với cấu trúc mao quản nhỏ (khoảng 3.7 Å) và khả năng trao đổi cation linh hoạt được kỳ vọng có tương tác mạnh với phân tử CO2, đặc biệt khi tỉ lệ Si/Al được điều chỉnh để tối ưu hóa dung lượng hấp phụ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu zeolite GIS (ZP) và GIS-FAU (ZPY) được tổng hợp thủy nhiệt từ các hóa chất chuẩn, sau đó biến tính bằng trao đổi cation với dung dịch muối chứa Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Sr2+ và NH4+ ở nồng độ 1M.

  • Quy trình tổng hợp: Hỗn hợp phản ứng già hóa 24 giờ ở nhiệt độ phòng, thủy nhiệt 12 giờ tại 100°C, lọc, rửa đến pH 8-9, sấy 24 giờ ở 100°C để thu mẫu zeolite ban đầu. Biến tính bằng khuấy trộn 8g zeolite với 80 ml dung dịch muối 1M ở 80°C trong 2 giờ, sau đó lọc, rửa và sấy.

  • Phương pháp phân tích: Đo hấp phụ - giải hấp N2 ở 77K bằng thiết bị NOVA 2200e để xác định diện tích bề mặt BET, phân bố kích thước mao quản BJH và diện tích bề mặt bên ngoài t-plot. Phân tích cấu trúc bằng XRD, khảo sát hình thái và thành phần bằng SEM-EDS.

  • Đo khả năng hấp phụ CO2: Thí nghiệm hấp phụ động với hỗn hợp khí CO2/N2, lưu lượng 60 ml/phút, kích hoạt mẫu ở 300°C trong 2 giờ, đo dung lượng hấp phụ CO2 ở nồng độ 3% và 6,5%, đánh giá khả năng tái sinh sau 4 chu kỳ ở 150°C trong 90 phút dưới chân không.

  • Cỡ mẫu và timeline: Mỗi loại zeolite biến tính được khảo sát với ít nhất 3 mẫu độc lập để đảm bảo tính tái lập. Nghiên cứu thực hiện từ tháng 02/2023 đến 06/2024 tại Phòng thí nghiệm Xúc tác, Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Cấu trúc tinh thể giữ ổn định sau biến tính: Phổ XRD cho thấy các mẫu ZP biến tính với Na+, K+, NH4+ và Mg2+ vẫn giữ cấu trúc zeolite GIS với các peak đặc trưng tại góc 2θ khoảng 12°, trong khi mẫu ZP-Ca và ZP-Sr có độ tinh thể thấp hơn. Tương tự, các mẫu ZPY biến tính giữ được cấu trúc hỗn hợp GIS-FAU với peak đặc trưng tại 2θ khoảng 6°, trong đó ZPY-NH4 có độ tinh thể cao nhất, ZPY-Sr thấp nhất.

  2. Diện tích bề mặt riêng BET: Mẫu ZP-K có diện tích BET đạt 27,385 m²/g, trong khi các mẫu ZP khác không có kết quả BET đáng kể, cho thấy ion kim loại ảnh hưởng đến cấu trúc mao quản. Mẫu ZPY biến tính có diện tích BET dao động quanh 300 m²/g, giảm nhẹ ở ZPY-K và ZPY-Sr do bán kính ion lớn làm giảm thể tích lỗ xốp. Mẫu ZPY-NH4 duy trì diện tích BET cao, cho thấy khả năng tạo liên kết đặc biệt của NH4+.

  3. Khả năng hấp phụ CO2 vượt trội của ZPY-K: Ở nồng độ CO2 3% và 6,5%, mẫu ZPY-K đạt dung lượng hấp phụ lần lượt 59,38 mg/g và 113,38 mg/g, cao hơn nhiều so với các mẫu khác. Sau 4 lần tái sinh, dung lượng hấp phụ vẫn giữ được 38,82 mg/g, chứng tỏ khả năng tái sử dụng tốt.

  4. Ảnh hưởng của cation trao đổi: K+ có tỉ lệ trao đổi cao nhất, làm tăng khả năng hấp phụ CO2 nhờ cải thiện đặc tính hóa lý và cấu trúc mao quản. Các cation có bán kính lớn như Sr2+ làm giảm diện tích bề mặt và dung lượng hấp phụ. Gốc NH4+ duy trì cấu trúc và diện tích bề mặt tốt nhưng dung lượng hấp phụ thấp hơn K+.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc trao đổi cation trên zeolite GIS và GIS-FAU ảnh hưởng rõ rệt đến cấu trúc và khả năng hấp phụ CO2. Sự ổn định cấu trúc tinh thể sau biến tính được xác nhận qua phổ XRD, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về tính bền vững của zeolite GIS khi trao đổi ion. Diện tích bề mặt riêng BET giảm nhẹ ở các mẫu trao đổi với cation lớn do sự thu hẹp mao quản, điều này được minh họa qua đồ thị phân bố kích thước lỗ xốp BJH.

Dung lượng hấp phụ CO2 cao nhất ở mẫu ZPY-K phản ánh hiệu quả của cation K+ trong việc tạo ra các vị trí hấp phụ ưu tiên và tăng tương tác với phân tử CO2. So sánh với các nghiên cứu khác, dung lượng hấp phụ của ZPY-K vượt trội hơn nhiều so với zeolite GIS chưa biến tính hoặc các loại zeolite khác có tỉ lệ Si/Al thấp. Khả năng tái sinh tốt sau nhiều chu kỳ cho thấy vật liệu có tính ổn định nhiệt và hóa học cao, phù hợp cho ứng dụng thực tế trong thu hồi CO2.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ hấp phụ CO2 theo thời gian và nồng độ, bảng so sánh diện tích BET và dung lượng hấp phụ giữa các mẫu, cũng như ảnh SEM minh họa cấu trúc bề mặt và phân bố cation. Những kết quả này góp phần làm rõ vai trò của trao đổi cation trong việc tối ưu hóa vật liệu zeolite cho công nghệ CCS.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường nghiên cứu trao đổi cation K+ trên zeolite GIS-FAU: Động từ hành động là "mở rộng" quy mô tổng hợp và biến tính để tối ưu hóa dung lượng hấp phụ CO2, hướng đến mục tiêu dung lượng trên 120 mg/g trong vòng 12 tháng, do các nhóm nghiên cứu và phòng thí nghiệm chuyên ngành thực hiện.

  2. Phát triển quy trình tái sinh hiệu quả: Áp dụng nhiệt độ tái sinh 150°C và chân không trong 90 phút để duy trì dung lượng hấp phụ trên 60% sau 5 chu kỳ, nhằm giảm chi phí vận hành và tăng tuổi thọ vật liệu, do các nhà vận hành hệ thống CCS và kỹ sư công nghệ đảm nhiệm.

  3. Khảo sát ảnh hưởng của các cation kiềm thổ khác: Thực hiện nghiên cứu sâu hơn về trao đổi ion với Mg2+, Ca2+, Sr2+ để đánh giá khả năng cải thiện tính ổn định cấu trúc và dung lượng hấp phụ, trong vòng 18 tháng, do các nhà khoa học vật liệu và kỹ thuật hóa học triển khai.

  4. Ứng dụng thử nghiệm trong hệ thống thu hồi CO2 quy mô pilot: Triển khai thử nghiệm tại các nhà máy phát thải khí CO2 với điều kiện thực tế, nhằm đánh giá hiệu quả và tính khả thi của vật liệu zeolite biến tính, trong vòng 24 tháng, do các doanh nghiệp công nghiệp và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành Kỹ thuật Hóa học: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích chuyên sâu về vật liệu zeolite GIS biến tính, hỗ trợ phát triển nghiên cứu về vật liệu hấp phụ và công nghệ CCS.

  2. Kỹ sư và chuyên gia công nghệ môi trường: Thông tin về quy trình tổng hợp, biến tính và đánh giá hiệu suất hấp phụ CO2 giúp thiết kế và vận hành hệ thống thu hồi khí thải hiệu quả.

  3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu hấp phụ và thiết bị CCS: Cơ sở khoa học để phát triển sản phẩm mới, tối ưu hóa vật liệu và quy trình sản xuất nhằm nâng cao hiệu quả thu hồi CO2.

  4. Nhà hoạch định chính sách và quản lý môi trường: Cung cấp bằng chứng khoa học về tiềm năng ứng dụng vật liệu zeolite trong giảm phát thải khí nhà kính, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển bền vững và công nghệ xanh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Zeolite GIS là gì và tại sao được chọn để hấp phụ CO2?
    Zeolite GIS là loại zeolite có cấu trúc mao quản nhỏ, tạo ra các khoang lỗ đồng đều giúp hấp phụ phân tử CO2 hiệu quả. Cấu trúc này có khả năng trao đổi cation linh hoạt, điều chỉnh tính chất hóa lý để tối ưu hóa dung lượng hấp phụ.

  2. Trao đổi cation ảnh hưởng thế nào đến khả năng hấp phụ CO2?
    Trao đổi cation thay đổi thành phần ion trong mạng tinh thể, ảnh hưởng đến diện tích bề mặt, kích thước mao quản và lực tương tác với CO2. Cation K+ được chứng minh làm tăng dung lượng hấp phụ nhờ cải thiện cấu trúc và tạo vị trí hấp phụ ưu tiên.

  3. Phương pháp tổng hợp zeolite GIS và GIS-FAU như thế nào?
    Zeolite được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt từ các hóa chất chuẩn, già hóa 24 giờ, thủy nhiệt 12 giờ ở 100°C, sau đó biến tính bằng trao đổi ion với dung dịch muối cation 1M ở 80°C trong 2 giờ.

  4. Khả năng tái sinh của vật liệu zeolite biến tính ra sao?
    Mẫu ZPY-K giữ được 65% dung lượng hấp phụ CO2 sau 4 chu kỳ tái sinh ở 150°C trong 90 phút dưới chân không, cho thấy vật liệu có tính ổn định cao và phù hợp cho ứng dụng thực tế.

  5. Luận văn có thể ứng dụng trong thực tế như thế nào?
    Kết quả nghiên cứu hỗ trợ phát triển vật liệu hấp phụ CO2 hiệu quả cho các hệ thống thu hồi khí thải công nghiệp, góp phần giảm phát thải nhà kính và hỗ trợ mục tiêu net-zero đến năm 2050.

Kết luận

  • Luận văn đã tổng hợp và biến tính thành công zeolite GIS (ZP) và GIS-FAU (ZPY) bằng trao đổi cation với các kim loại kiềm và kiềm thổ, giữ được cấu trúc tinh thể ổn định.
  • Mẫu ZPY-K thể hiện khả năng hấp phụ CO2 vượt trội với dung lượng lên đến 113,38 mg/g ở nồng độ 6,5%, cùng khả năng tái sinh tốt sau nhiều chu kỳ.
  • Diện tích bề mặt riêng và phân bố mao quản được cải thiện nhờ trao đổi cation, đặc biệt với K+ và NH4+, ảnh hưởng tích cực đến hiệu suất hấp phụ.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc phát triển vật liệu hấp phụ CO2 hiệu quả, góp phần vào công nghệ thu hồi và lưu trữ carbon (CCS).
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng thử nghiệm trong quy mô công nghiệp để thúc đẩy chuyển giao công nghệ và giảm phát thải khí nhà kính toàn cầu.

Hãy tiếp tục theo dõi và áp dụng các giải pháp vật liệu tiên tiến để góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.