Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu xử lý CO2 nhằm thu sinh khối vi tảo Chlorella sorokiniana TH02

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu xử lý co2 nhằm thu sinh khối vi tảo chlorella sorokiniana th02 trên hệ phản ứng panel, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Vinh
• Người hướng dẫn: TS. Trần Đăng Thuần
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu xử lý CO2 nhằm thu sinh khối vi tảo Chlorella sorokiniana TH02
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ CO2
• 1.1.1. Khái niệm, tính chất hóa lý
• 1.2. CÁC NGUỒN PHÁT THẢI KHÍ CO2 VÀ TÍCH LŨY CO2 TRONG KHÍ QUYỂN
• 1.3. NHỮNG HỆ QUẢ CỦA SỰ PHÁT THẢI CO2
• 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CO2
• 1.4.1. Phương pháp hóa lý
• 1.4.2. Phương pháp màng
• 1.5. Xử lý cacbon bằng vi tảo
• 1.6. SƠ LƯỢC VỀ VI TẢO
• 1.6.1. Sơ lược về vi tảo Chlorella sorokiniana
• 1.6.2. Cơ chế chuyển hóa cacbon trong vi tảo
• 1.6.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của vi tảo
• 1.7. ỨNG DỤNG CỦA VI TẢO Chlorella
• 1.7.1. Nhiên liệu sinh học
• 1.7.2. Thức ăn cho người và động vật. Sản xuất phân bón sinh học. Sản xuất mỹ phẩm, dược phẩm
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 2.2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 2.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.3.1. Thiết bị & dụng cụ
• 2.3.2. Phương pháp thực nghiệm
• 2.3.3. Phương pháp phân tích
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ CO2 ĐẾN NĂNG SUẤT SINH KHỐI VÀ HIỆU SUẤT CỐ ĐỊNH CO2 CỦA C.
• 3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA ÁNH SÁNG ĐẾN TĂNG TRƯỞNG CỦA VI TẢO
• 3.3. ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ SỤC KHÍ ĐẾN TĂNG TRƯỞNG CỦA VI TẢO
• 3.4. TĂNG TRƯỞNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT XỬ LÝ CO2 CỦA C. SOROKINIANA TH02 NUÔI TRONG HỆ PHẢN ỨNG PANEL PHẲNG NGOÀI TRỜI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về CO2

Khí carbon dioxide (CO2) là một hợp chất hóa học quan trọng trong khí quyển, có vai trò lớn trong quá trình quang hợp của thực vật và vi tảo. Việc xử lý CO2 nhằm thu sinh khối vi tảo là một giải pháp tiềm năng để giảm thiểu lượng khí thải này. Nghiên cứu cho thấy, Chlorella sorokiniana có khả năng hấp thụ CO2 hiệu quả, từ đó tạo ra sinh khối có giá trị dinh dưỡng cao. Việc sử dụng vi tảo trong xử lý CO2 không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn tạo ra nguồn nguyên liệu cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

1.1. Khái niệm và tính chất hóa lý của CO2

Cacbon điôxít (CO2) là một khí không màu, không mùi, có trọng lượng riêng nặng hơn không khí. Nó được tạo ra từ các quá trình hô hấp của sinh vật và các hoạt động công nghiệp. CO2 có vai trò quan trọng trong việc duy trì sự sống trên Trái Đất thông qua quá trình quang hợp của thực vật và vi tảo. Tuy nhiên, sự gia tăng nồng độ CO2 trong khí quyển đang gây ra nhiều vấn đề môi trường nghiêm trọng, bao gồm biến đổi khí hậu và hiệu ứng nhà kính.

1.2. Nguồn phát thải CO2

Nguồn phát thải CO2 chủ yếu đến từ hoạt động của con người, bao gồm đốt nhiên liệu hóa thạch và các quá trình công nghiệp. Các nguồn tự nhiên như núi lửa và hô hấp của sinh vật cũng góp phần vào lượng CO2 trong khí quyển. Tuy nhiên, sự phát thải từ con người đã vượt xa khả năng hấp thụ của tự nhiên, dẫn đến sự tích lũy CO2 và các hệ quả nghiêm trọng cho môi trường.

II. Nghiên cứu vi tảo Chlorella sorokiniana

Vi tảo Chlorella sorokiniana là một trong những loài vi tảo có khả năng sinh trưởng nhanh và hiệu quả trong việc hấp thụ CO2. Nghiên cứu cho thấy, vi tảo này có thể tăng trưởng mạnh mẽ trong môi trường có nồng độ CO2 cao, từ đó tạo ra sinh khối có giá trị dinh dưỡng cao. Việc nghiên cứu khả năng hấp thụ CO2 của Chlorella sorokiniana không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn mở ra cơ hội cho việc sản xuất các sản phẩm có giá trị từ vi tảo.

2.1. Cơ chế chuyển hóa cacbon trong vi tảo

Vi tảo Chlorella sorokiniana sử dụng CO2 trong quá trình quang hợp để tổng hợp các hợp chất hữu cơ. Quá trình này không chỉ giúp vi tảo phát triển mà còn góp phần làm giảm nồng độ CO2 trong khí quyển. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng, vi tảo có thể hấp thụ CO2 với hiệu suất cao, gấp nhiều lần so với các loại thực vật khác, nhờ vào khả năng quang hợp mạnh mẽ của chúng.

2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát triển của vi tảo

Nhiều yếu tố như ánh sáng, nhiệt độ, và nồng độ CO2 có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của vi tảo Chlorella sorokiniana. Nghiên cứu cho thấy, việc tối ưu hóa các điều kiện này có thể nâng cao năng suất sinh khối vi tảo. Việc điều chỉnh nồng độ CO2 trong môi trường nuôi cấy cũng là một yếu tố quan trọng, giúp tăng cường khả năng hấp thụ và chuyển hóa CO2 thành sinh khối.

III. Ứng dụng của vi tảo trong xử lý CO2

Vi tảo không chỉ có khả năng xử lý CO2 mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực khác nhau. Sản phẩm từ vi tảo có thể được sử dụng làm thực phẩm, thức ăn cho động vật, và nguyên liệu cho sản xuất phân bón sinh học. Việc phát triển công nghệ nuôi trồng vi tảo để xử lý CO2 có thể mang lại lợi ích kinh tế và môi trường lớn, đồng thời góp phần vào việc phát triển bền vững.

3.1. Nhiên liệu sinh học

Sinh khối từ vi tảo có thể được chuyển hóa thành nhiên liệu sinh học, giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Việc sử dụng vi tảo để sản xuất nhiên liệu sinh học không chỉ giúp giảm lượng CO2 trong khí quyển mà còn tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, góp phần vào việc bảo vệ môi trường.

3.2. Sản xuất phân bón sinh học

Vi tảo cũng có thể được sử dụng để sản xuất phân bón sinh học, cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng mà không gây hại cho môi trường. Sản phẩm từ vi tảo có thể cải thiện độ màu mỡ của đất và tăng cường khả năng sinh trưởng của cây trồng, từ đó nâng cao năng suất nông nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Từ năm 1990, lượng khí nhà kính đã tăng 41% tổng bức xạ, trong đó khí CO2 chiếm 82% lượng bức xạ gia tăng trong thập niên vừa qua. Nồng độ CO2 trung bình toàn cầu năm 2021 đạt 415 ppm, cao hơn gần 50% so với thời kỳ tiền công nghiệp, gây ra nhiều hệ quả nghiêm trọng như biến đổi khí hậu, thời tiết cực đoan, mực nước biển dâng và suy giảm hệ sinh thái. Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất, đặc biệt trong lĩnh vực nông nghiệp và sức khỏe cộng đồng. Do đó, việc nghiên cứu các công nghệ xử lý CO2 là cấp thiết nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực này.

Trong các phương pháp xử lý CO2, công nghệ sử dụng vi tảo để cố định CO2 được đánh giá là tiềm năng do vi tảo có tốc độ xử lý CO2 cao gấp 10-50 lần so với thực vật. Vi tảo Chlorella sorokiniana TH02, phân lập từ nước thải nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả, có khả năng sinh trưởng nhanh và sử dụng hiệu quả CO2 để tạo sinh khối. Luận văn tập trung nghiên cứu xử lý CO2 nhằm thu sinh khối vi tảo Chlorella sorokiniana TH02 trên hệ phản ứng panel phẳng, với mục tiêu xác định điều kiện tối ưu về nồng độ CO2, cường độ ánh sáng và tốc độ sục khí để nâng cao năng suất sinh khối và hiệu suất cố định CO2. Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm và ngoài trời tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, trong khoảng thời gian năm 2020-2021. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong phát triển công nghệ sinh học bền vững, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và tạo nguồn nguyên liệu sinh khối giá trị cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết về quang hợp và chuyển hóa cacbon trong vi tảo, trong đó CO2 được hấp thụ và chuyển hóa thành các hợp chất hữu cơ qua quá trình quang hợp. Mô hình nghiên cứu sử dụng hệ phản ứng panel phẳng (flat-panel photobioreactor) nhằm tối ưu hóa điều kiện môi trường cho vi tảo phát triển. Các khái niệm chính bao gồm:

• Hiệu suất cố định CO2 (Carbon dioxide fixation efficiency): Tỷ lệ CO2 được vi tảo hấp thụ và chuyển hóa thành sinh khối.
• Năng suất sinh khối (Biomass productivity): Lượng sinh khối vi tảo thu được trên đơn vị thể tích và thời gian.
• Tốc độ sinh trưởng đặc trưng (Specific growth rate, µ): Tốc độ tăng trưởng của vi tảo tính theo ngày.
• Nồng độ cacbon vô cơ hòa tan bão hòa (Saturated dissolved inorganic carbon, SDIC): Nồng độ cacbon vô cơ trong môi trường nuôi tảo, bao gồm HCO3-, CO32- và CO2 hòa tan.

Hai lý thuyết chính được áp dụng là cơ chế quang hợp trong vi tảo và mô hình thiết kế hệ thống phản ứng panel phẳng nhằm tối ưu hóa ánh sáng và trao đổi khí.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm nuôi cấy vi tảo Chlorella sorokiniana TH02 trong hệ thống panel phẳng tại phòng thí nghiệm và ngoài trời. Cỡ mẫu gồm các lô nuôi cấy với các điều kiện biến đổi về nồng độ CO2 (0,04% đến 20%), cường độ ánh sáng (60 đến 400 µmol/m2/s) và tốc độ sục khí (0,5 đến 4 L/phút). Mẫu được lấy hàng ngày trong vòng 7-10 ngày để đo các chỉ số sinh trưởng và hiệu suất cố định CO2.

Phương pháp phân tích bao gồm đo mật độ quang (OD750), pH, nồng độ sinh khối khô, thành phần cacbon trong sinh khối bằng máy phân tích nguyên tố CHNSO, và nồng độ cacbon vô cơ hòa tan bằng thiết bị TOC/TN. Tính toán các chỉ số sinh trưởng, năng suất sinh khối, tốc độ và hiệu suất cố định CO2 dựa trên công thức chuẩn. Thí nghiệm được lặp lại 4 lần để đảm bảo độ tin cậy số liệu. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2020 đến 10/2021.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nồng độ CO2 đến sinh trưởng và cố định CO2:

   • Nồng độ CO2 tối ưu cho sinh trưởng C. sorokiniana TH02 là 5-10%, với năng suất sinh khối đạt 361,3 mg/L∙ngày và hiệu suất cố định CO2 đạt 53% tại 5% CO2.
   • Khi tăng nồng độ CO2 lên 20%, pH môi trường giảm sâu xuống 5,36, gây ức chế sinh trưởng và giảm năng suất sinh khối còn 121,7 mg/L∙ngày.
   • Nồng độ cacbon vô cơ hòa tan (SDIC) tăng từ 2 mM đến 275 mM khi CO2 tăng từ 0,04% đến 20%, ảnh hưởng đến tỷ lệ đồng hóa cacbon và nitơ trong sinh khối.

2. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng:

   • Cường độ ánh sáng tối ưu nằm trong khoảng 150-200 µmol/m2/s, đạt tốc độ sinh trưởng đặc trưng 1,05-1,17 ngày–1 và nồng độ sinh khối 2,84-3,25 g/L.
   • Cường độ ánh sáng thấp hơn hoặc cao hơn phạm vi này làm giảm tốc độ sinh trưởng do thiếu ánh sáng hoặc quang ức chế.

3. Ảnh hưởng của tốc độ sục khí:

   • Tốc độ sục khí 1-2 L/phút cho hiệu quả sinh trưởng và cố định CO2 tốt nhất, cân bằng giữa cung cấp CO2 và khuấy trộn môi trường.
   • Tốc độ sục khí quá cao gây stress cơ học và giảm hiệu suất sinh trưởng.

4. So sánh với các nghiên cứu khác:

   • C. sorokiniana TH02 có tốc độ sinh trưởng đặc trưng 0,59-1,26 ngày–1, cao hơn nhiều chủng Scenedesmus obtusiusculus (0,18-0,38 ngày–1).
   • Năng suất sinh khối của TH02 tương đương hoặc cao hơn nhiều chủng vi tảo khác trong điều kiện tương tự.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy vi tảo C. sorokiniana TH02 có khả năng thích nghi tốt với nồng độ CO2 từ 5-10%, phù hợp với nồng độ CO2 trong khí thải công nghiệp, đồng thời duy trì pH môi trường trong khoảng 6-9 để tối ưu sinh trưởng. Việc tăng nồng độ CO2 vượt quá mức này làm giảm pH môi trường, ảnh hưởng tiêu cực đến tế bào vi tảo. Cường độ ánh sáng và tốc độ sục khí cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quá trình quang hợp và trao đổi khí, từ đó nâng cao năng suất sinh khối và hiệu suất cố định CO2.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, hiệu suất cố định CO2 và năng suất sinh khối của chủng TH02 đạt mức cạnh tranh, chứng minh tiềm năng ứng dụng trong xử lý khí thải và sản xuất sinh khối giá trị cao. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ biến đổi pH và sinh khối theo nồng độ CO2, bảng so sánh năng suất sinh khối và tốc độ sinh trưởng với các chủng vi tảo khác, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của chủng nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa điều kiện nuôi cấy:

   • Điều chỉnh nồng độ CO2 trong khí thải công nghiệp về mức 5-10% để đạt hiệu suất cố định CO2 và năng suất sinh khối tối đa.
   • Kiểm soát pH môi trường nuôi trong khoảng 6-9 để duy trì sự phát triển ổn định của vi tảo.

2. Cải tiến hệ thống phản ứng panel phẳng:

   • Thiết kế hệ thống chiếu sáng LED với cường độ 150-200 µmol/m2/s và chu kỳ chiếu sáng 16 giờ/8 giờ để tối ưu quang hợp.
   • Điều chỉnh tốc độ sục khí trong khoảng 1-2 L/phút để cân bằng cung cấp CO2 và tránh stress cơ học.

3. Mở rộng quy mô và ứng dụng thực tế:

   • Triển khai thí điểm hệ thống nuôi vi tảo xử lý CO2 tại các nhà máy nhiệt điện, xi măng với khí thải có nồng độ CO2 phù hợp.
   • Kết hợp thu sinh khối vi tảo làm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học, phân bón sinh học hoặc thức ăn chăn nuôi.

4. Nghiên cứu bổ sung:

   • Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố môi trường khác như nhiệt độ, dinh dưỡng bổ sung để nâng cao hiệu quả cố định CO2.
   • Phát triển quy trình thu hoạch và xử lý sinh khối vi tảo hiệu quả, giảm chi phí vận hành.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-3 năm, phối hợp giữa viện nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý môi trường nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ xanh, giảm phát thải khí nhà kính và phát triển kinh tế tuần hoàn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường, công nghệ sinh học:

   • Nắm bắt kiến thức về công nghệ xử lý CO2 bằng vi tảo, phương pháp nuôi cấy và phân tích sinh trưởng vi tảo.
   • Áp dụng làm cơ sở cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo hoặc phát triển công nghệ mới.

2. Doanh nghiệp sản xuất và xử lý khí thải công nghiệp:

   • Tìm hiểu giải pháp sinh học bền vững để giảm phát thải CO2, đồng thời tận dụng sinh khối vi tảo làm nguyên liệu sản xuất.
   • Đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ panel phẳng trong quy mô công nghiệp.

3. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách:

   • Tham khảo dữ liệu khoa học để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ xanh, giảm thiểu khí nhà kính.
   • Định hướng phát triển ngành công nghiệp sinh học và năng lượng tái tạo.

4. Ngành công nghiệp sản xuất nhiên liệu sinh học, phân bón sinh học, dược phẩm:

   • Khai thác nguồn sinh khối vi tảo giàu dinh dưỡng, lipid và các hợp chất hoạt tính sinh học.
   • Phát triển sản phẩm mới từ nguyên liệu vi tảo, nâng cao giá trị kinh tế và bền vững môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi tảo Chlorella sorokiniana TH02 có ưu điểm gì trong xử lý CO2?
   Chủng TH02 có tốc độ sinh trưởng nhanh, khả năng chịu được nồng độ CO2 cao (5-10%), hiệu suất cố định CO2 đạt trên 50%, phù hợp với điều kiện khí thải công nghiệp, giúp tăng năng suất sinh khối hiệu quả.

2. Tại sao nồng độ CO2 quá cao lại làm giảm sinh trưởng vi tảo?
   Nồng độ CO2 cao làm giảm pH môi trường nuôi do tạo axit cacbonic, gây stress và ức chế enzyme quang hợp, làm giảm tốc độ sinh trưởng và năng suất sinh khối.

3. Hệ phản ứng panel phẳng có ưu điểm gì so với hệ mở?
   Hệ panel phẳng có tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích lớn, kiểm soát tốt điều kiện môi trường, giảm nhiễm bẩn, tăng hiệu quả sử dụng ánh sáng và năng suất sinh khối cao hơn so với hệ mở.

4. Cường độ ánh sáng ảnh hưởng thế nào đến sinh trưởng vi tảo?
   Cường độ ánh sáng tối ưu (150-200 µmol/m2/s) kích thích quang hợp hiệu quả, tăng tốc độ sinh trưởng. Ánh sáng quá thấp hoặc quá cao gây thiếu năng lượng hoặc quang ức chế, làm giảm sinh trưởng.

5. Làm thế nào để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
   Có thể triển khai hệ thống nuôi vi tảo panel phẳng tại các nhà máy có khí thải CO2 phù hợp, đồng thời thu hoạch sinh khối để sản xuất nhiên liệu sinh học, phân bón hoặc thức ăn, góp phần giảm phát thải và tạo giá trị kinh tế.

Kết luận

• Vi tảo Chlorella sorokiniana TH02 có khả năng sinh trưởng tốt và cố định CO2 hiệu quả trong dải nồng độ CO2 5-10%, phù hợp với khí thải công nghiệp.
• Cường độ ánh sáng tối ưu cho sinh trưởng là 150-200 µmol/m2/s, tốc độ sục khí hiệu quả là 1-2 L/phút.
• Năng suất sinh khối đạt tối đa 361,3 mg/L∙ngày, hiệu suất cố định CO2 đạt 53% tại điều kiện tối ưu.
• Hệ phản ứng panel phẳng là thiết bị phù hợp để nuôi cấy vi tảo xử lý CO2 với khả năng kiểm soát môi trường tốt và năng suất cao.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu và ứng dụng công nghệ trong quy mô công nghiệp nhằm giảm phát thải khí nhà kính và phát triển nguồn sinh khối giá trị cao.

Tiếp theo, cần triển khai thí điểm quy mô lớn và nghiên cứu tối ưu hóa quy trình thu hoạch, xử lý sinh khối. Mời các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý cùng hợp tác phát triển công nghệ xanh này để góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. TỔNG QUAN VỀ CO2 1. Khái niệm, tính chất hóa lý a.

Khái niệm: Cacbon điôxít hay điôxít cacbon (các tên gọi khác than khí, anhiđrít cacbonic, khí cacbonic) là một hợp chất ở điều kiện bình thường có dạng khí trong khí quyển Trái Đất, bao gồm một nguyên tử cacbon và hai nguyên tử ôxy. Là một hợp chất hóa học được biết đến rộng rãi, nó thường xuyên được gọi theo công thức hóa học là CO2. Ở dạng rắn, nó được gọi là băng khô. Các thuộc tính hóa lý: Cacbon đioxit là một khí không màu mà khi hít thở phải ở nồng độ cao (nguy hiểm do nó gắn liền với rủi ro ngạt thở) tạo ra vị chua trong miệng và cảm giác nhói ở mũi và cổ họng.

Các hiệu ứng này là do khí hòa tan trong màng nhầy và nước bọt, tạo ra dung dịch yếu của axit cacbonic. Tỷ trọng riêng của nó ở 25 °C là 1,98 kg/m3, nặng hơn khoảng 1,5 lần không khí. Phân tử cacbon đioxit (O = C = O) chứa hai liên kết đôi và có hình dạng tuyến tính. Nó không có lưỡng cực điện.

Do nó là hợp chất đã bị ôxi hóa hoàn toàn nên về mặt hóa học nó không hoạt động mạnh lắm và cụ thể là không cháy. Ở nhiệt độ dưới -78 °C, cacbon đioxit ngưng tụ lại thành các tinh thể màu trắng gọi là băng khô. Cacbon đioxit lỏng chỉ được tạo ra dưới áp suất trên 5,1 bar; ở điều kiện áp suất khí quyển, nó chuyển trực tiếp từ các pha khí sang rắn hay ngược lại theo một quá trình gọi là thăng hoa. Nước sẽ hấp thụ một lượng nhất định cacbon đioxit, và nhiều hơn lượng này khi khí bị nén.

Khoảng 1% cacbon đioxit hòa tan chuyển hóa thành axit cacbonic. Axit cacbonic phân ly một phần thành các ion bicacbonat (HCO 3−) và cacbonat (CO32−). Khi một nguồn lửa được đưa vào ống thử có chứa cacbon đioxit thì ngọn lửa sẽ tắt ngay lập tức do cacbon đioxit thông thường không duy trì sự cháy, Luan van 4 tuy nhiên nếu là sự cháy của các kim loại mang tính khử cao như Mg, Zn thì cacbon bị khử, tạo ra oxit kim loại và muội than. Để xác nhận khí này là cacbon đioxit thì khí được dẫn qua dung dịch canxi hydroxit (Ca(OH)2) trong.

Dung dịch canxi hydroxit sẽ chuyển thành màu trắng do sự tạo thành canxi cacbonat. Ứng dụng Cacbon đioxit lỏng và rắn là chất làm lạnh quan trọng, đặc biệt là trong công nghiệp thực phẩm, trong đó chúng tham gia vào quá trình lưu trữ và vận chuyển các loại kem và các thực phẩm đông lạnh [1]. Cacbon đioxit được sử dụng để sản xuất nước giải khát cacbonat hóa và nước soda. Theo truyền thống, quá trình cacbonat hóa trong bia và vang nổ có được do lên men tự nhiên, nhưng một số nhà sản xuất cacbonat hóa các đồ uống này một cách nhân tạo [2].

Bột nở sử dụng trong các loại bánh nướng tạo ra khí cacbonic làm cho khối bột bị phình to ra, do tạo ra các lỗ xốp chứa bọt khí. Men bánh mì tạo ra khí cacbonic bằng sự lên men trong khối bột, trong khi các loại bột nở hóa học giải phóng ra khí cacbonic khi bị nung nóng hoặc bị tác dụng với các axit. Cacbon đioxit dập tắt lửa, và một số bình cứu hỏa, đặc biệt là các loại được thiết kể để dập cháy do điện, có chứa cacbon điôxít lỏng bị nén. Cacbon điôxít cũng được sử dụng như là môi trường khí cho công nghệ hàn, mặc dù trong hồ quang thì nó phản ứng với phần lớn các kim loại.

Nó được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô mặc dù có chứng cứ đáng kể cho thấy khi hàn trong môi trường này thì mối hàn giòn hơn so với các mối hàn trong môi trường các khí trơ, và các mối hàn này theo thời gian sẽ giảm phẩm cấp do sự tạo thành của axít cacbonic. Nó được sử dụng làm việc này chủ yếu là do nó có giá thành thấp hơn nhiều so với các khí trơ như agon hay heli. Cacbon đioxit lỏng là một dung môi tốt cho nhiều hợp chất hữu cơ, và được dùng để loại bỏ cafein từ cà phê. Nó cũng bắt đầu nhận được sự chú ý của công nghiệp dược phẩm và một số ngành công nghiệp chế biến hóa chất khác do nó là chất thay thế ít độc hơn cho các dung môi truyền thống như các clorua hữu cơ.

Luan van 5 Thực vật cần có cacbon đioxit để thực hiện việc quang hợp, và các nhà kính có thể được làm giàu bầu khí quyển của chúng bằng việc bổ sung CO2 nhằm kích thích sự tăng trưởng của thực vật [3] và tảo [4]. Nồng độ cao của cacbon đioxit trong khí quyển tiêu diệt có hiệu quả nhiều loại sâu hại. Các nhà kính được nâng nồng độ CO2 tới 10. Trong y học, tới 5% cacbon đioxit được thêm vào oxy nguyên chất để trợ thở sau khi ngừng thở và để ổn định cân bằng O2/CO2 trong máu.

Cacbon đioxit cũng hay được bơm vào hay gần với các giếng dầu [6]. Nó có tác dụng như là tác nhân nén và khi hòa tan trong dầu thô dưới lòng đất thì nó làm giảm đáng kể độ nhớt của dầu thô, tạo điều kiện để dầu chảy nhanh hơn trong lòng đất vào các giếng hút. Trong các mỏ dầu đã hoàn thiện thì một hệ thống ống đồ sộ được sử dụng để chuyển cacbon đioxit tới các điểm bơm. CÁC NGUỒN PHÁT THẢI KHÍ CO2 VÀ TÍCH LŨY CO2 TRONG KHÍ QUYỂN Cacbon điôxít phát ra từ hai nguồn chính là từ tự nhiên và nhân tạo.

Đối với nguồn tự nhiên, cacbon điôxít có thể thoát ra từ các núi lửa, hoạt động hô hấp của các sinh vật sống hiếu khí, một số vi sinh vật sản xuất từ sự lên men và sự hô hấp của tế bào, các loài thực vật hấp thải điôxít cacbon trong quá trình hô hấp. Đối với nguồn nhân tạo, cacbon điôxít được tạo và thoát ra từ các quá trình công nghiệp đốt nhiên liệu hóa thạch như than, dầu, khí hóa lỏng, công nghiệp xi măng và nông nghiệp [7]. Nguồn cacbon điôxít tự nhiên được tạo ra nhằm duy trì chu trình cân bằng cacbon trong tự nhiên. Tuy nhiên, do sự phát triển công nghiệp sau cách mạng công nghiệp, lượng nhiên liệu hóa thạch đã và đang được khai thác sử dụng cạn kiệt, đồng thời thải ra một lượng lớn cacbon điôxít tích lũy trong khí quyển làm mất cân bằng tự nhiên của cabon và gây ra hiệu ứng nhà kính.

Số liệu mới nhất công bố cho thấy nồng độ CO2 trung bình trong khí quyển đo được cuối năm 2020 là 415 ppm (nồng độ theo khối thể tích) tương đương với 630 ppm (nồng độ theo khối lượng). Nồng độ này dao động nhẹ theo Luan van 6 mùa trong năm, có xu hướng giảm xuống trong điều kiện thời tiết mùa xuân và mùa hè do hai mùa này thực vật phát triển mạnh nên hấp thụ một lượng lớn CO2. Ngược lại, trong mùa thu và mùa đông, nồng độ CO2 trong khí quyển có xu hướng tăng do thực vật rụng lá, chết hoặc phân hủy. Hoạt động phát triển của con người thải ra hơn 30 tỷ tấn CO2/năm (tương đương tiêu thụ 9 tỷ tấn nhiên liệu hóa thạch), trong khi núi lửa chỉ làm thoát ra có 0,2 – 0,3 tỷ tấn CO2.

Hoạt động của con người làm tăng nồng độ CO2 cao hơn mức CO2 đo được trong khí quyển từ hàng trăm nghìn năm trước và hơn một nửa lượng CO 2 trong khí quyển hiện nay không được hấp thụ bởi thực vật và biển. Như vậy, nếu sự phát triển của xã hội loài người vẫn thải ra CO2, thì lượng thải thêm này tích lũy vào khí quyển và tăng sự nghiệm trọng của hiệu ứng nhà kính. NHỮNG HỆ QUẢ CỦA SỰ PHÁT THẢI CO2 Bên cạnh những ứng dụng trên thì tác hại của khí CO 2 mang lại cho môi trường sống của chúng ta cũng rất lớn. Việc gia tăng lượng CO 2 trong khí quyển làm trầm trọng thêm hiệu ứng nhà kính và vì thế làm tăng sự ấm toàn cầu.

Một số hệ quả mà loài người đã và đang sẽ phải đối mặt là hạn hán, lũ lụt, băng tan và nước biển dâng, bệnh dịch, nhiều hệ sinh thái bị biến mất ở nhiều khu vực địa lý của thế giới. Đây là một vấn đề nhức nhối hiện nay đe dọa trực tiếp đến sự sống của con người. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CO2 1. Phương pháp hóa lý Các phương pháp hóa lý được nghiên cứu và ứng dụng gồm hấp phụ, hấp thụ, phản ứng hóa học nhằm thu lại hoặc chuyển hóa CO2 thành chất ít hoặc không gây hiệu ứng nhà kính.

Hấp thụ CO2 có thể dụng các dung môi của nhóm amin (ví dụ: ethanolain,.) [8], ammoniac [9], K2CO3 [10] hoặc là nước. Đối với dung dịch của nhóm amin, hệ số hấp thụ cao dưới áp suất cao nhưng hiệu suất thu hồi CO2 phụ thuộc vào khả năng giải hấp thụ của dung môi và nhiệt độ (thường nghiệt độ cao). Ngoài ra, các dung môi amin thường có tính ăn mòn nên yêu cầu trang thiết bị đầu tư tốn kém. Amoniac cũng khá hiệu quả, có khả năng giảm nồng độ CO2 từ 34% xuống còn 0,015% nhưng có hạn chế là khi sử Luan van 7 dụng phương pháp này rất dễ dẫn đến việc thải khí NH3 ra ngoài môi trường- một trong những loại khí gây hại khá lớn đối với sức khỏe.

Dung dịch K 2CO3 có đặc tính ôn hòa trong hấp thụ CO2, nên phải dùng nồng độ K2CO3 cao từ 30- 40% [10]. Xử lí khí thải CO2 bằng phương pháp hấp phụ sử dụng nước, đây là phương pháp đơn giản, những hạn chế trong việc hòa tan CO2 trong nước, cần lượng nước lớn, bình chứa có dung tích cao và áp suất lớn. Một số nghiên cứu dùng vật liệu xốp hấp phụ CO2, vật liệu chứng tỏ khả năng hấp phụ CO2 cao, nhưng vấn đề lớn vẫn là giải hấp phụ CO2 ra để thu hồi [11]. Phương pháp màng Nguyên lý của màng lọc khí rất đơn giản: nó bao gồm một màng mỏng và xốp hoạt động như một bộ lọc các hỗn hợp khí thải.

Nó chỉ cho phép CO2 đi qua nhờ vào sự chênh lệch áp suất giữa 2 bên màng nhưng ngăn cản oxy, nitơ và các khí khác đi theo [12]. Không giống như các phương pháp hóa học hiện có để thu giữ CO2 từ các nhà máy công nghiệp, màng lọc khí dễ lắp đặt và có thể hoạt động không cần giám sát trong thời gian dài mà không cần thêm chi phí năng lượng bổ sung. Các thiết bị màng lọc khí cần có áp lực lớn ở một bên và thường là chân không ở một bên kia để duy trì dòng khí lưu thông tự do.