Xử lý CO2 trong nước biển

Vì CO₂ tiếp tục tích tụ trong bầu khí quyển Trái đất, các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới vẫn đang tìm cách loại bỏ CO₂ trong không khí một cách hiệu quả. Đại dương là nơi hấp thụ khoảng 30 đến 40% tổng lượng khí CO₂ bắt nguồn từ các hoạt động của con người và cũng là nơi hấp thụ nhiều CO₂ nhất từ bầu khí quyển.

Gần đây, việc loại bỏ CO₂ trực tiếp trong nước biển đã nổi lên như một khả năng triển vọng để giảm thiểu phát thải CO₂. Tuy nhiên, giống như các hệ thống khác, ý tưởng này vẫn chưa được triển khai rộng rãi. Hiện nay, nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã tìm ra cách loại bỏ CO₂ hiệu quả và không tốn kém.

Các phương pháp hiện có để xử lý CO₂ trong nước biển dẫn điện áp vào một xấp màng để axit hóa dòng nguyên liệu bằng cách tách nước. Nhờ vậy, bicacbonat trong nước được chuyển đổi thành các phân tử CO₂ để sau đó loại bỏ trong môi trường chân không. T. Alan Hatton, Giáo sư Kỹ thuật hóa học và là đồng tác giả nghiên cứu, lưu ý rằng các màng này rất đắt đỏ và các hóa chất thúc đẩy toàn bộ phản ứng điện cực ở hai đầu, làm tăng chi phí và độ phức tạp của quy trình.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã tìm ra quy trình thuận nghịch bao gồm các pin điện hóa không có màng. Các điện cực phản ứng được sử dụng để giải phóng proton vào nước biển cung cấp cho pin, thúc đẩy quá trình giải phóng CO₂ hòa tan khỏi nước. Quá trình này diễn ra theo chu kỳ: Đầu tiên là hiện tượng axit hóa nước biến đổi bicacbonat vô cơ hòa tan thành cacbon dioxit phân tử, được thu gom dưới dạng khí trong môi trường chân không. Sau đó, nước được dẫn đến một bộ pin thứ hai có điện áp đảo ngược để thu hồi proton và biến đổi nước có tính axit thành nước kiềm trước khi đưa trở lại biển. Theo định kỳ, vai trò của hai pin được đảo ngược, nghĩa là khi bộ điện cực này cạn kiệt proton (trong quá trình axit hóa) thì bộ điện cực kia được tái tạo trong quá trình kiềm hóa.

Kripa Varanasi, giáo sư kỹ thuật cơ khí và là một trong các tác giả nghiên cứu, cho rằng quá trình axit hóa các đại dương do sự tích tụ CO₂ đe dọa các rạn san hô và động vật có vỏ. Việc bơm nước kiềm trở lại có thể được thực hiện tại các cửa sông hoặc xa bờ để tránh sự gia tăng đột biến của độ kiềm cục bộ có thể phá vỡ hệ sinh thái.

CO₂ sau khi tách khỏi nước, vẫn cần được xử lý giống như các quy trình loại bỏ cacbon khác. Ví dụ như chôn lấp trong các tầng địa chất sâu dưới đáy biển hoặc chuyển đổi về mặt hóa học thành hợp chất như etanol để dùng làm nhiên liệu vận tải hoặc thành các hóa chất đặc biệt khác.

Ý tưởng ban đầu là kết hợp hệ thống xử lý CO₂ trong nước biển với cơ sở hạ tầng xử lý nước biển hiện có như các nhà máy khử mặn. Ngoài ra, hệ thống có thể được lắp đặt cho các tàu để xử lý khí thải phát sinh khi tàu di chuyển. Hệ thống cũng có thể được áp dụng tại các địa điểm như giàn khoan ngoài khơi hoặc tại các trang trại nuôi trồng thủy sản và cuối cùng, tiến tới triển khai các nhà máy xử lý cacbon độc lập trên toàn cầu.

Nghiên cứu đang tiếp tục mục tiêu tìm giải pháp thay thế công đoạn cần có môi trường chân không để loại bỏ CO₂ đã tách ra khỏi nước. Một yêu cầu khác là xác định các chiến lược vận hành để ngăn chặn sự kết tủa của các khoáng chất có thể làm bẩn các điện cực trong pin kiềm hóa, vấn đề cố hữu làm giảm hiệu quả tổng thể của tất cả các phương pháp được biết đến. Nhóm nghiên cứu hy vọng hệ thống có thể sẵn sàng cho dự án trình diễn thực tế trong vòng khoảng hai năm tới.