Tổng quan nghiên cứu

Biến đổi khí hậu toàn cầu, biểu hiện qua hiện tượng nóng lên và mực nước biển dâng, đang là thách thức lớn nhất của thế kỷ 21, ảnh hưởng trực tiếp đến hệ sinh thái và đời sống con người. Nồng độ carbon dioxide (CO2) trong khí quyển đã tăng từ 315 ppm năm 1958 lên khoảng 412,5 ppm năm 2020, chủ yếu do hoạt động sản xuất công nghiệp và sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Việt Nam, với vị trí địa lý đặc thù, chịu ảnh hưởng nặng nề từ biến đổi khí hậu, đồng thời cam kết đạt phát thải CO2 ròng bằng 0 vào năm 2050. Trong bối cảnh đó, việc chuyển hóa CO2 thành khí nhiên liệu methane (CH4) qua phản ứng methane hóa CO2 được xem là giải pháp "xanh" vừa giảm phát thải, vừa tạo ra nguồn năng lượng tái tạo.

Luận văn tập trung nghiên cứu điều chế xúc tác trên cơ sở Ni/ZrO2 cho phản ứng methane hóa CO2, nhằm nâng cao hiệu suất chuyển hóa và độ chọn lọc CH4. Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, trong năm 2022, với mục tiêu xác định thành phần và điều kiện xử lý xúc tác tối ưu, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của CO và độ bền xúc tác trong 100 giờ phản ứng. Nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ xử lý khí thải CO2, hỗ trợ mục tiêu giảm phát thải và phát triển năng lượng sạch tại Việt Nam.

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:

  • Nhiệt động học phản ứng methane hóa CO2: Phản ứng tỏa nhiệt thuận nghịch với ΔH298K = -165 kJ/mol, thích hợp thực hiện ở nhiệt độ thấp (250-400°C) và áp suất cao để tối ưu độ chuyển hóa CO2 và độ chọn lọc CH4.
  • Cơ chế phản ứng methane hóa CO2: Bao gồm hai hướng chính — hướng CO trung gian (qua phản ứng water-gas shift ngược) và hướng formate (không có CO trung gian), trong đó Ni hấp phụ và phân ly H2, còn ZrO2 hấp phụ CO2 nhờ các tâm bazơ và lỗ trống oxi.
  • Lý thuyết xúc tác dị thể: Tác động của chất mang ZrO2 trong việc tăng độ phân tán Ni, cải thiện tính bazơ và ổn định nhiệt, giảm thiểu sự thiêu kết và lắng đọng cốc.
  • Mô hình động học phản ứng: Các mô hình động học được áp dụng để mô tả tốc độ phản ứng và ảnh hưởng của các thông số vận hành như nhiệt độ, áp suất, tỷ lệ H2/CO2.

Các khái niệm chính bao gồm: độ chuyển hóa CO2 (XCO2), độ chọn lọc CH4 (SCH4), tính bazơ của xúc tác, và các phương pháp phân tích tính chất vật lý - hóa học xúc tác như XRD, SEM, TEM, BET, TPR, CO2-TPD, EDS.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các mẫu xúc tác Ni/ZrO2 được điều chế bằng hai phương pháp thủy nhiệt và sol-gel, với các biến đổi về hàm lượng Ni, điều kiện nung và khử xúc tác.
  • Phương pháp điều chế: Chất mang ZrO2 tổng hợp bằng thủy nhiệt và sol-gel; pha hoạt động Ni được tẩm lên chất mang bằng phương pháp tẩm ướt; các điều kiện nung và khử xúc tác được thay đổi để khảo sát ảnh hưởng đến tính chất và hoạt tính.
  • Phân tích tính chất xúc tác: Sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định pha tinh thể và kích thước hạt; kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) để quan sát hình thái và kích thước hạt Ni; phương pháp hấp phụ BET để đo diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp; khử theo chương trình nhiệt độ (H2-TPR) để đánh giá khả năng khử của xúc tác; giải hấp CO2 theo chương trình nhiệt độ (CO2-TPD) để xác định tính bazơ; phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) để phân tích thành phần nguyên tố.
  • Đánh giá hoạt tính xúc tác: Thực hiện phản ứng methane hóa CO2 trên hệ thống dòng vi lượng, đo độ chuyển hóa CO2 và độ chọn lọc CH4 ở các điều kiện nhiệt độ, tỷ lệ H2/CO2, hàm lượng Ni và ảnh hưởng của CO trong hỗn hợp phản ứng.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022, bao gồm các giai đoạn điều chế, phân tích tính chất, đánh giá hoạt tính và khảo sát độ bền xúc tác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phương pháp điều chế chất mang ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác: Xúc tác Ni/ZrO2 với chất mang ZrO2 tổng hợp bằng phương pháp sol-gel cho độ chuyển hóa CO2 cao hơn khoảng 15% so với phương pháp thủy nhiệt, đồng thời độ chọn lọc CH4 đạt trên 90% ở nhiệt độ 400°C.

  2. Ảnh hưởng của hàm lượng Ni: Khi tăng hàm lượng Ni từ 5% đến 15% khối lượng, độ chuyển hóa CO2 tăng từ khoảng 60% lên 85%, tuy nhiên hàm lượng Ni vượt quá 15% không làm tăng đáng kể hiệu suất do hiện tượng kết tụ hạt Ni.

  3. Điều kiện nung và khử xúc tác: Nung chất mang ZrO2 ở 600°C trong 2 giờ và khử xúc tác ở 450°C trong 2 giờ là điều kiện tối ưu, giúp tăng diện tích bề mặt riêng lên khoảng 120 m²/g và cải thiện độ phân tán Ni, từ đó nâng cao hoạt tính xúc tác.

  4. Ảnh hưởng của tỷ lệ H2/CO2 và CO trong hỗn hợp phản ứng: Tỷ lệ H2/CO2 tối ưu là 4:1, giúp đạt độ chuyển hóa CO2 trên 80% và độ chọn lọc CH4 trên 90%. Sự có mặt của CO trong hỗn hợp phản ứng làm giảm độ chuyển hóa CO2 khoảng 10% do sự cạnh tranh hấp phụ và hình thành các hợp chất Ni carbonyl gây mất hoạt tính.

  5. Độ bền xúc tác và lượng cốc lắng đọng: Xúc tác Ni/ZrO2 tối ưu duy trì hoạt tính ổn định trong 100 giờ phản ứng, với độ giảm chuyển hóa CO2 dưới 5%. Lượng cốc lắng đọng đo bằng phương pháp TGA chiếm khoảng 2% khối lượng xúc tác, không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp sol-gel tạo ra chất mang ZrO2 có cấu trúc lỗ xốp và diện tích bề mặt lớn hơn, giúp tăng khả năng phân tán Ni và hấp phụ CO2 hiệu quả hơn. Điều kiện nung và khử xúc tác ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước hạt Ni và trạng thái oxi hóa, từ đó tác động đến hoạt tính xúc tác. Hàm lượng Ni quá cao gây kết tụ hạt, làm giảm diện tích bề mặt hoạt động, tương tự với các nghiên cứu trước đây về xúc tác Ni.

Tỷ lệ H2/CO2 ảnh hưởng đến cân bằng phản ứng và tốc độ chuyển hóa, phù hợp với lý thuyết nhiệt động học và động học. Sự có mặt của CO làm giảm hiệu suất do cạnh tranh hấp phụ và tạo thành các hợp chất Ni carbonyl, gây mất hoạt tính xúc tác, điều này phù hợp với các báo cáo về đầu độc xúc tác Ni.

Độ bền xúc tác trong 100 giờ phản ứng cho thấy xúc tác Ni/ZrO2 có khả năng chống thiêu kết và lắng đọng cốc tốt, nhờ vào đặc tính bazơ và lỗ trống oxi của ZrO2 giúp hấp phụ CO2 và ngăn cản sự kết tụ hạt Ni. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến thiên độ chuyển hóa CO2 và độ chọn lọc CH4 theo thời gian, cùng biểu đồ TGA thể hiện lượng cốc lắng đọng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình điều chế xúc tác: Áp dụng phương pháp sol-gel để tổng hợp chất mang ZrO2, nung ở 600°C trong 2 giờ và khử xúc tác ở 450°C trong 2 giờ nhằm đạt hiệu suất cao nhất. Thời gian thực hiện trong giai đoạn điều chế và xử lý xúc tác khoảng 1-2 tháng, do phòng thí nghiệm hóa dầu và hóa học chịu trách nhiệm.

  2. Kiểm soát hàm lượng Ni trong xúc tác: Giữ hàm lượng Ni trong khoảng 10-15% khối lượng để cân bằng giữa độ chuyển hóa và độ ổn định xúc tác, tránh hiện tượng kết tụ hạt. Đề xuất áp dụng trong các dự án phát triển xúc tác công nghiệp trong vòng 6 tháng tới.

  3. Điều chỉnh tỷ lệ H2/CO2 trong phản ứng: Duy trì tỷ lệ H2/CO2 khoảng 4:1 để tối ưu hóa hiệu suất phản ứng methane hóa CO2, đồng thời hạn chế sự có mặt của CO trong hỗn hợp phản ứng để giảm thiểu mất hoạt tính xúc tác. Khuyến nghị áp dụng trong vận hành hệ thống phản ứng khí.

  4. Nâng cao độ bền xúc tác và giảm cốc lắng đọng: Thường xuyên kiểm tra và tái sinh xúc tác sau 100 giờ hoạt động để duy trì hiệu suất, đồng thời nghiên cứu bổ sung các chất cải tiến hoặc phương pháp xử lý mới nhằm tăng khả năng chống cốc. Thời gian thực hiện nghiên cứu bổ sung khoảng 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật lọc dầu và hóa dầu: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về điều chế và đánh giá xúc tác Ni/ZrO2, hỗ trợ phát triển các đề tài liên quan đến chuyển hóa khí CO2.

  2. Chuyên gia phát triển công nghệ xử lý khí thải và năng lượng tái tạo: Thông tin về hiệu suất và độ bền xúc tác giúp thiết kế hệ thống chuyển hóa CO2 thành methane hiệu quả, góp phần giảm phát thải khí nhà kính.

  3. Doanh nghiệp sản xuất xúc tác và thiết bị công nghiệp: Cơ sở dữ liệu về điều kiện tổng hợp và xử lý xúc tác giúp cải tiến sản phẩm, nâng cao chất lượng và tuổi thọ xúc tác trong ứng dụng thực tế.

  4. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách năng lượng: Nghiên cứu cung cấp bằng chứng khoa học hỗ trợ xây dựng chính sách giảm phát thải CO2 và thúc đẩy sử dụng năng lượng sạch tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phản ứng methane hóa CO2 có ưu điểm gì so với các phương pháp xử lý CO2 khác?
    Phản ứng methane hóa CO2 vừa giảm nồng độ CO2 trong khí quyển, vừa tạo ra khí methane làm nhiên liệu sạch, giúp lưu trữ năng lượng tái tạo hiệu quả. Ví dụ, khí H2 dùng trong phản ứng có thể sản xuất từ điện phân nước bằng năng lượng mặt trời.

  2. Tại sao chọn Ni làm kim loại hoạt động trong xúc tác?
    Ni có độ hoạt hóa và độ chọn lọc CH4 cao, giá thành thấp và dễ ứng dụng công nghiệp. Mặc dù có nhược điểm về độ bền, nhưng với chất mang phù hợp như ZrO2, hiệu suất và độ bền xúc tác được cải thiện đáng kể.

  3. Phương pháp sol-gel có ưu điểm gì trong điều chế chất mang ZrO2?
    Phương pháp sol-gel tạo ra chất mang có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc lỗ xốp đồng đều, giúp phân tán Ni tốt hơn và tăng hiệu quả xúc tác so với phương pháp thủy nhiệt.

  4. Ảnh hưởng của CO trong hỗn hợp phản ứng như thế nào?
    CO cạnh tranh hấp phụ trên bề mặt xúc tác, tạo thành các hợp chất Ni carbonyl gây mất hoạt tính, làm giảm độ chuyển hóa CO2 khoảng 10%. Do đó, cần kiểm soát nồng độ CO trong khí phản ứng.

  5. Làm thế nào để duy trì độ bền xúc tác trong quá trình phản ứng?
    Kiểm soát điều kiện phản ứng ở nhiệt độ và áp suất phù hợp, tái sinh xúc tác định kỳ để loại bỏ cặn cốc, đồng thời nghiên cứu bổ sung chất cải tiến để tăng khả năng chống thiêu kết và lắng đọng cốc.

Kết luận

  • Đã điều chế thành công xúc tác Ni/ZrO2 với chất mang ZrO2 tổng hợp bằng phương pháp sol-gel, đạt hiệu suất chuyển hóa CO2 trên 85% và độ chọn lọc CH4 trên 90%.
  • Xác định được điều kiện nung chất mang (600°C, 2 giờ) và khử xúc tác (450°C, 2 giờ) tối ưu cho hoạt tính xúc tác.
  • Hàm lượng Ni tối ưu trong khoảng 10-15% khối lượng, cân bằng giữa hiệu suất và độ bền xúc tác.
  • Phát hiện sự ảnh hưởng tiêu cực của CO trong hỗn hợp phản ứng đến hoạt tính xúc tác, cần kiểm soát nồng độ CO.
  • Xúc tác Ni/ZrO2 duy trì độ bền ổn định trong 100 giờ phản ứng với lượng cốc lắng đọng thấp.

Next steps: Triển khai nghiên cứu mở rộng về cải tiến xúc tác chống cốc, tối ưu hóa quy trình công nghiệp và ứng dụng thực tế trong xử lý khí thải CO2 tại Việt Nam.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực lọc dầu, hóa dầu và năng lượng tái tạo nên áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển công nghệ chuyển hóa CO2 hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.