Luận án nghiên cứu xử lý CO2 từ khí thải đốt than bằng kỹ thuật xúc tác-hấp phụ để nuôi Spirulina platensis

Khí thải từ lò đốt than không chỉ chứa CO2 mà còn có nhiều khí đồng hành phức tạp. Các thành phần chính bao gồm SO2, NOx, CO và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi. Bụi mịn và tro bay cũng tồn tại với nồng độ đáng kể trong luồng khí. Những khí đồng hành này gây độc hại nghiêm trọng cho sinh vật và môi trường sống. SO2 và NOx gây ra hiện tượng mưa axit và ăn mòn thiết bị kim loại. Khí CO cản trở quá trình trao đổi oxy của các sinh vật sống. Hàm lượng ẩm cao trong khí thải cũng làm tăng độ phức tạp của quá trình xử lý. Việc xác định chính xác nồng độ từng cấu tử khí là bước then chốt. Dữ liệu này giúp thiết kế hệ thống xử lý xúc tác và hấp phụ phù hợp.

Sự hiện diện của SO2 và NOx làm giảm hiệu năng của các hệ thống thu giữ CO2. Các tạp chất này dễ gây ngộ độc các trung tâm hoạt tính xúc tác. Chúng cũng phản ứng với chất hấp phụ tạo thành các muối bền nhiệt khó tái sinh. Khí SO2 cạnh tranh vị trí hấp phụ trực tiếp với phân tử CO2 trên bề mặt vật liệu. Nước trong dòng khí gây suy giảm diện tích bề mặt riêng của các chất hấp phụ xốp. Bụi than bám dính gây tắc nghẽn các lớp màng và tầng đệm phản ứng. Do đó, quy trình làm sạch sơ bộ để loại bỏ khí đồng hành là bắt buộc. Hệ thống xử lý phải đảm bảo tính chọn lọc cao đối với từng cấu tử khí. Việc bảo vệ chất xúc tác giúp kéo dài tuổi thọ vật liệu và duy trì hiệu suất.

Dòng khí sau xử lý cần đạt độ tinh sạch cao để tái sử dụng hoặc xả thải an toàn. Nồng độ SO2 và NOx phải giảm xuống dưới ngưỡng gây hại cho quá trình tiếp theo. Nhiệt độ khí thải cần được điều hòa để phù hợp với điều kiện vận hành của vật liệu hấp phụ. Tốc độ dòng khí qua tháp xử lý phải ổn định để tối đa hóa thời gian tiếp xúc pha. Áp suất hệ thống cần được kiểm soát chặt chẽ nhằm tránh hiện tượng sụt áp quá mức. Độ ẩm trong luồng khí cần được tách bỏ bằng các thiết bị ngưng tụ hoặc sấy sơ bộ. Các cảm biến quang học và phân tích khí trực tuyến cần được lắp đặt đồng bộ. Việc kiểm soát tự động giúp duy trì tính ổn định của toàn bộ chu trình công nghệ.

Chất xúc tác chuyển hóa các khí độc hại thành các dạng hợp chất ít nguy hại hơn. Khí CO và các hydrocacbon chưa cháy hết bị oxy hóa hoàn toàn thành CO2 và nước. Quá trình khử xúc tác chọn lọc (SCR) biến đổi NOx thành khí nitơ tự do vô hại. Các kim loại chuyển tiếp đóng vai trò cung cấp các tâm oxy hóa khử mạnh mẽ. Xúc tác quang cũng có thể được tích hợp để kích hoạt phản ứng ở nhiệt độ thấp. Bề mặt xúc tác thúc đẩy quá trình chuyển dịch điện tử nhanh chóng. Các phản ứng này diễn ra ở điều kiện áp suất khí quyển mà không cần cấp thêm hóa chất độc hại. Hiệu suất chuyển hóa đạt mức cao giúp bảo vệ an toàn cho tầng hấp phụ CO2 phía sau.

Chất hấp phụ amine biến tính sở hữu các nhóm chức bazo amine gắn trên nền chất mang xốp. Các nhóm amine tạo liên kết hóa học thuận nghịch với phân tử CO2 có tính axit. Quá trình này giúp nâng cao độ chọn lọc CO2 ngay cả khi nồng độ khí thấp. Song song đó, zeolite tổng hợp cung cấp hệ thống vi mao quản đồng đều và diện tích bề mặt lớn. Zeolite hấp phụ CO2 thông qua tương tác tĩnh điện mạnh giữa cation mạng lưới và mômen tứ cực của khí. Sự kết hợp giữa zeolite tổng hợp và chất hấp phụ amine biến tính tạo ra vật liệu lai tối ưu. Cấu trúc lai vừa có dung lượng hấp phụ cao vừa có tốc độ giải hấp nhanh chóng. Chi phí tái sinh vật liệu thấp giúp giảm giá thành vận hành hệ thống.

Vật liệu khung kim loại - hữu cơ (MOF) là bước đột phá trong công nghệ phân tách khí. MOF có độ xốp siêu cao, thể tích lỗ xốp lớn và cấu trúc hóa học có thể tinh chỉnh linh hoạt. Các tâm kim loại mở trong MOF đóng vai trò hút giữ chọn lọc các phân tử CO2. Việc gắn thêm các nhóm chức phân cực vào khung hữu cơ giúp tăng cường ái lực với CO2. Vật liệu này duy trì khả năng phân tách CO2 khỏi N2 rất tốt ở điều kiện dòng khí nhiệt điện. Các nghiên cứu tập trung nâng cao độ bền thủy nhiệt của MOF trong môi trường khí thải thực tế. Sự cải tiến cấu trúc giúp MOF chống chịu tốt trước hơi ẩm và các vết axit còn sót lại.

Vòng lặp canxi (calcium looping - CaO) là giải pháp nhiệt hóa hấp dẫn để thu giữ CO2 quy mô lớn. Quá trình dựa trên phản ứng cacbonat hóa thuận nghịch giữa CaO và CO2 ở nhiệt độ cao. Canxi oxit phản ứng với CO2 tạo thành canxi cacbonat (CaCO3) tại tháp cacbonat hóa. Sau đó, CaCO3 được đưa sang tháp nung để giải phóng dòng khí CO2 có độ tinh khiết rất cao. Bột đá vôi tự nhiên dồi dào và giá thành rẻ giúp hạ thấp chi phí đầu tư nguyên liệu. Tuy nhiên, hiện tượng thiêu kết hạt CaO sau nhiều chu kỳ nhiệt làm giảm hoạt tính hấp phụ. Việc bổ sung các chất phụ gia trơ giúp ngăn chặn sự kết tụ hạt và duy trì cấu trúc xốp. Vòng lặp canxi (calcium looping - CaO) thích hợp xử lý trực tiếp dòng khí thải nhiệt điện có nhiệt độ cao.

Dung lượng hấp phụ CO2 (adsorption capacity) là thông số kỹ thuật then chốt để lựa chọn vật liệu. Đại lượng này phản ánh khối lượng CO2 được lưu giữ trên một đơn vị khối lượng chất hấp phụ. Các phép đo đường đẳng nhiệt hấp phụ cung cấp thông tin về cơ chế tương tác bề mặt. Dung lượng hấp phụ chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi nhiệt độ, áp suất riêng phần của CO2 và cấu trúc vi mô. Vật liệu tối ưu cần đạt dung lượng cao ở áp suất riêng phần CO2 thấp từ 10% đến 15%. Tốc độ hấp phụ động học phải đủ nhanh để giảm thiểu kích thước tháp chứa vật liệu. Việc tái sinh hoàn toàn chất hấp phụ ở nhiệt độ vừa phải giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ.

Chất hấp phụ làm việc trong môi trường khí thải đốt than chịu tác động cơ học và nhiệt độ khắc nghiệt. Hiện tượng mài mòn hạt do dòng khí lưu thông liên tục có thể gây tổn thất vật liệu. Sự biến đổi cấu trúc tinh thể ở nhiệt độ cao dẫn đến suy giảm thể tích mao quản. Việc gia cường chất mang bằng oxit nhôm hoặc oxit silic giúp tăng độ bền nén ép của viên vật liệu. Bề mặt vật liệu được biến tính để tăng khả năng chống chịu sự xâm nhập của các hợp chất lưu huỳnh. Các thử nghiệm nạp xả lặp lại hàng trăm chu kỳ là thước đo đánh giá độ tin cậy. Vật liệu có độ bền cao giúp giảm tần suất thay thế và chi phí bảo dưỡng hệ thống công nghiệp.

Quy trình thu giữ và chuyển hóa carbon (ICCU) diễn ra trực tiếp bên trong cùng một tháp phản ứng cố định hoặc tầng sôi. Ban đầu, dòng khí thải chứa CO2 được dẫn qua lớp vật liệu để hấp phụ chọn lọc phân tử CO2. Sau khi bão hòa, dòng khí thải được ngắt và dòng khí hydro được dẫn vào tháp. Tại đây, CO2 đang hấp phụ phản ứng ngay với hydro trên các tâm xúc tác lân cận mà không cần giải hấp. Sản phẩm tạo thành gồm khí metan, metanol hoặc khí tổng hợp syngas. Quy trình ICCU cắt giảm đáng kể năng lượng tiêu tốn cho việc gia nhiệt tái sinh chất hấp phụ. Hệ thống có khả năng tích hợp trực tiếp vào đuôi dòng khí thải của các nhà máy điện hiện hữu.

Các tâm xúc tác kim loại chuyển tiếp (Ni, Ru, Co) đóng vai trò quyết định tốc độ và độ chọn lọc sản phẩm. Niken (Ni) là kim loại phổ biến nhờ giá thành thấp và hoạt tính hydro hóa mạnh mẽ. Rutheni (Ru) thể hiện hoạt tính xúc tác vượt trội ở nhiệt độ thấp và có khả năng kháng ngộ độc lưu huỳnh rất tốt. Coban (Co) cho hiệu suất chuyển hóa cao và hỗ trợ hình thành các chuỗi hydrocacbon dài hơn. Việc phân tán các hạt nano kim loại chuyển tiếp (Ni, Ru, Co) trên bề mặt chất mang xốp giúp tăng diện tích tiếp xúc. Sự phối hợp giữa các kim loại tạo ra hiệu ứng lưỡng kim, gia tăng độ ổn định của xúc tác. Xúc tác được kích hoạt phù hợp giúp tối ưu hóa hiệu suất thu hồi năng lượng.

Phản ứng Sabatier sử dụng xúc tác hydro hóa CO2 (CO2 methanation) chuyển hóa CO2 và H2 thành khí metan tổng hợp (SNG). Khí metan tạo ra có thể hòa trực tiếp vào mạng lưới khí đốt tự nhiên hiện hữu mà không cần thay đổi hạ tầng. Quá trình hydro hóa là phản ứng tỏa nhiệt mạnh, đòi hỏi hệ thống tản nhiệt hiệu quả để tránh thiêu kết xúc tác. Độ chọn lọc metan có thể đạt trên 95% trong điều kiện nhiệt độ và áp suất tối ưu. Xúc tác hydro hóa CO2 (CO2 methanation) giúp lưu trữ năng lượng tái tạo dư thừa dưới dạng liên kết hóa học. Đây là cầu nối then chốt giữa hệ thống điện năng tái tạo và công nghệ xử lý khí thải công nghiệp.

Vi khuẩn lam Spirulina platensis sử dụng enzyme carbonic anhydrase để chuyển đổi nhanh CO2 thành ion bicacbonat trong tế bào. Nồng độ CO2 hòa tan trong môi trường nuôi cấy được duy trì ở mức tối ưu giúp tăng tốc độ quang hợp. Nguồn carbon vô cơ cung cấp khung carbon cho quá trình tổng hợp protein, lipid và polysaccharide. Việc sục khí CO2 trực tiếp vào bể nuôi giúp điều hòa độ pH của môi trường kiềm đặc trưng. Dòng khí CO2 sạch giúp tảo phát triển mạnh mẽ mà không bị ức chế bởi các tạp chất độc hại. Tốc độ hấp thu CO2 của vi khuẩn lam cao hơn nhiều lần so với các loài thực vật trên cạn. Khả năng thích nghi cao giúp loài vi sinh vật này phát triển ổn định trong các hệ thống nuôi quy mô lớn.

Sinh khối Spirulina platensis nuôi bằng dòng khí CO2 tinh sạch đạt hàm lượng dinh dưỡng rất cao. Tỷ lệ protein thô chiếm từ 60% đến 70% trọng lượng chất khô của sinh khối tảo. Các sắc tố sinh học có giá trị cao như phycocyanin, chlorophyll a và carotenoid được tích lũy với hàm lượng lớn. Thành phần lipid chứa nhiều axit béo không bão hòa đa nối đôi có lợi cho sức khỏe tim mạch. Các phân tích kim loại nặng và dư lượng độc chất trong sinh khối đều nằm trong giới hạn an toàn thực phẩm. Hiệu suất cố định carbon của hệ thống nuôi sinh học đạt kết quả ấn tượng. Nguồn sinh khối thu được mang lại nguồn thu kinh tế bù đắp chi phí vận hành xử lý khí thải.

Quy trình công nghệ đã được thử nghiệm và hoàn thiện qua các cấp độ từ phòng thí nghiệm đến hệ thống pilot. Hệ thống pilot lắp đặt trực tiếp tại nguồn phát thải thực tế để đánh giá tính tương thích và độ ổn định liên tục. Các thông số vận hành như lưu lượng sục khí, cường độ chiếu sáng và chu kỳ thu hoạch sinh khối được chuẩn hóa. Dữ liệu thực nghiệm chứng minh sự ổn định của chuỗi xúc tác - hấp phụ - nuôi cấy sinh học trong thời gian dài. Mô hình khép kín này thể hiện tính khả thi cao về mặt kỹ thuật và hiệu quả kinh tế rõ rệt. Đây là giải pháp xử lý môi trường toàn diện cho các nhà máy nhiệt điện đốt than trong tương lai.