Chế tạo xăng từ khí cácbonníc trong khí quyển

Rút ra nhiên liệu diesel từ... không khí? Ý tưởng hình như là hoàn toàn điên rồ.Nhưnghai nhóm các nhà nghiên cứu độc lập vừa chứng minhlà có thể được. Vào tháng 7 năm 2006, trong Hội nghị của American Chemical Society (Hội Hóa học Mỹ) ở San Francico, một nhóm các nhà hóa học châu Âu đã khám phá ra có thể đi đến "phá vỡ" khí cacbonic của khí quyển để thu được cacbon từ đó, sau đó tập hợp các cacbon đó lại thành chuỗi ngắn để cuối cùng chế tạo ra những nhiên liệu nhẹ như xăng. Từ tháng 6 năm 2006, một nhóm các nhà nghiên cứu Mỹ đã chứng minh một cách chính xác người ta có thể nối các chuỗi ngắn cacbon để thu được các loại dầu nặng. Chắc chắn là việc chế tạo gazol và như vậy đã sử dụng được cho các động cơ tiết kiệm hơn từ 20 đến 30% so với các động cơ chạy bằng xăng! Như vậy, hai phương pháp cách mạng ở châu Âu và Mỹ sẽ có thể sử dụng bổ sung cho nhau, giải quyết được hai điều hóc búa nhất mà ngày nay nhân loại đang vấp phải: tìm ra nguồn năng lượng xen kẽ nhằm thay thế cho dầu hỏa đang trên con đường cạn kiệt và hoàn toàn hạn chế sự phát thải các khí có hiệu ứng nhà kính, nguyên nhân của sự nóng lên củatrái đất.

I. KHÉP KÍN CHUTRÌNH CO ₂

Ý tưởng rút nhiên liệu từ dioxyt cacbon (CO ₂) của không khí trong khuôn khổ của một dự án lớn ở châu Âu được đưa ra vào năm 2003. Được đặt tên là ELCAT (Chuyển đổi khí CO ₂bằng điện - xúc tác ở thể khí trong máy xúc tác kín), dự án này đã được đầu tư lớn với 875.000 euro bởi Liên hiệp châu Âu và được tiến hành kết hợp với các phòng thí nghiệm của Trường Đại học Messine (Italia), Viện Fritz Haber (Đức), Trường Đại học Patras (Hy Lạp) và Trường Đại học Strasbourg phối hợp với Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia CNRS (Pháp). Mục tiêu của nó: tìm hiểu nếu có thể sự khép kín chu trình của CO ₂thoái giáng bởi sự đốt cháy của các nhiên liệu bằng cách chuyển đổi nó thành những nhiên liệu mới ở nhiệt độ và áp lực xung quanh. Chỉ cách đây vài năm, không một nhà khoa học nào đoán chắc về sự thành công của một xí nghiệp nào đó.Bởiđể thu được các cacbuahydro, các hợp chất tạo nên các nhiên liệu dẫn xuất từ dầu hỏa được tạo thành một cách duy nhất từ cacbon và hydro, cần phải chiết xuất cacbon từ CO ₂sau đó cho tác động với hydro (H). Mac-Jacques Ledoux, nhà hóa học ở phòng thí nghiệm "vật liệu, mặt bằng và thủ tục cho sự xúc tác" (Trường Đại học Louis Pasteur, CNRS, Strasbourg ) đã nói rõ rằng: " Ngoại trừ sự chuyển đổi CO ₂là một phản ứng hóa học ma quái mà việc thực hiện cần có một sự mang đến năng lượng kỳ quặc". Cần phải biết rằng CO ₂ là một trong những phân tử bền vững nhất trên Trái Đất. Một khi được tạo thành, những liên kết giữa các nguyên tử của nó cực kỳ khó phá vỡ: để đi đến điều đó, cần phải có một nhiệt độ... nhiều trăm độ C!

Người ta nghi ngờ điều đó, tiêu tốn nhiều năng lượng trong một viễn cảnh tạo ra những nhiên liệu mà không có một ý nghĩa gì về mặt kinh tế. Trong những điều kiện đó, không có vấn đề tấn công dioxyt cacbon một cách trực diện. Vì vậy, những nhà nghiên cứu châu Âu đã xây dựng một chiến thuật "quỷ quyệt" hơn, dựa vào việc sử dụng năng lượng Mặt Trời và một máy gia tốc phản ứng hóa học được cấu tạo bằng bạch kim đặt trên các ống nano. Và sự việc trôi chảy! Sự chuyển đổi CO ₂đã được thử nghiệm một cách thành công tại Trường Đại học Messine ở Sicile trước khi được giới thiệu từng phần ở San Francico vào tháng 7-2006. Nói một cách chính xác hơn, các nhà hóa học đã giám định trong hỗn hợp cuối cùng, những cacbua hydro được tạo thành đối với phần lớn có đến 8 nguyên tử cácbon (được đánh dấu C ₆đến C ₈bởi các nhà hóa học) như hexan (C ₆), toluen (C ₇) hay octan (C ₈), nghĩa là các phân tử cơ bản của xăng. Gauthier Winé, nhà hóa học Pháp tham gia nhóm nghiên cứu ở Sicile, thừa nhận: " Thực vậy, phản ứng được thực hiện trong những điều kiện làm việc của chúng tôi - ở nhiệt độ và áp suất xung quanh - không cho năng suất cao. Chỉ có từ 5 đến 15% khí CO ₂đưa vào đã được chuyển đổi thành cacbua hydro... Nhưng chúng ta đã chứng minh được rằng sự chuyển đổi là có thể làm được, đó là một bước tiến lớn trên quan điểm khoa học."Nhóm ELCAT suy nghĩ rằng bây giờ cần phải cải tiến năng suất của sự chuyển đổi bằng cách tăng nhiệt độ của phản ứng hay hoàn thiện máy xúc tác. Gauthier Winé lập luận: " Nếu chúng ta đi đến phát triển một máy xúc tác mà nó cho phép thu được trong thời gian đầu từ 50 đến 60% chuyển đổi, như vậy đã là một sự tiến bộ lớn. Sau đó, chúng ta từng bước sẽ thử nghiệm để xích gần lại với lý tưởng: một sự chuyển đổi 100%".

II. MỘT "SỰ KHỬ HYDRO"

Thành công để tạo được các cacbua hydro nhẹ từ CO ₂đã là một chiến công phi thường. Nhưng tạo được các cacbua hydro nặng (từ C ₉đến C ₂₀) và như vậy bổ sung cho đủ một loạt các nhiên liệu sẵn dùng: gazol cho các động cơ diesel (từ C ₁₀đến C ₁₅), kerosen (từ C ₁₂đến C ₁₅) cho các máy bay thì không kém phần lỗi lạc. Ở đây, chính nhà hóa học Mỹ Alan Goldman và những đồng nghiệp của ông ở Trường Đại học Quốc gia New Jersey đã thực hiện được chiến công: họ đã đi đến làm sản sinh cacbua hydro nặng bằng cách cải tiến một kỹ thuật mà nó cung cấp cacbua hydro tổng hợp từ cacbon hay từ khí đốt. Nghĩ ra trong những năm 20 của thế kỷ trước bởi các nhà hóa học Đức Franz Fischer và Hans Tropsch, phương pháp đó bị rơi vào sự lãng quên sau Chiến tranh Thế giới lần thứ hai bởi lý do các chi phí sản xuất quá cao để cạnh tranh với dầu hỏa. Alan Goldman kể lại rằng: " Để thu được những chuỗi dài từ những chuỗi ngắn và làm đồng nhất sản phẩm, chúng tôi đã nghiên cứu một phương pháp hóa học dựa vào hai phản ứng". Phản ứng thứ nhất nhằm rút ra các nguyên tử hydro từ các phân tử cácbua hydro, nhờ sử dụng một máy xúc tác trên cơ sở iridi. Sự "khử hydro" này cho phép thu được những sản phẩm trung gian, được sử dụng như những chất phản ứng trong phản ứng sau. Phản ứng sau gọi là "sự hoán vị", được tặng giải thưởng Nobel năm 2005: đó là một phản ứng mà trong đó các phân tử chứa cacbon trao đổi những "nhánh", điều đó đưa đến kết quả kéo dài (và rút ngắn) các chuỗi.

Nhờ phương pháp có hiệu năng đó, các nhà nghiên cứu Mỹ đã thu được từ C ₆những sản phẩm dài đến C ₁₂. Như vậy, kết quả đó có thể đạt được từ các cacbua hydro ngắn từ 7 đến 8 cacbon được tạo thành thông qua sự chuyển đổi của CO ₂! Điều đó cho phép tránh tung vào khí quyển cacbon chiết xuất nhờ phương pháp Fischer-Tropsch dưới dạng CO ₂. Những lợi ích to lớn khác: các cacbua hydro tổng hợp phát sinh từ dioxyt cacbon không chứa lưu huỳnh ngược lại với các nhiên liệu xuất xứ từ dầu hỏa. Lưu huỳnh làm phức tạp việc lọc sạch các khí thoát từ các bộ lọc chống ô nhiễm, ngay cả tạo ra các trận mưa axit và các chất ô nhiễm làm kích ứng các đường hô hấp. Alan Goldman xác nhận: " Phương pháp của nhóm các nhà nghiên cứu châu Âu rất là hấp dẫn bởi vì nó có thể hoàn toàn bổ sung cho phương pháp của chúng tôi."

Thật vậy, những kết quả lỗi lạc đó chỉ mới thu được trong phòng thí nghiệm. Cũng thế, trước khi thấy được đưa ra thị trường xăng, super và gazol, các sản phẩm trên nền tảng CO ₂, trước hết phải được bảo đảm rằng việc ứng dụng vào công nghiệp phải có lợi về mặt kinh tế. Jean-Marie Cheralier, Giám đốc Trung tâm Địa chính trị về năng lượng và nguyên liệu, phát biểu: " Ngày nay phương pháp đó còn tỏ ra tốn kém, bởi vì nó cần đến việc sử dụng hàng loạt công nghệ để thu năng lượng mặt trời, làm đậm đặc CO ₂khí quyển v.v... Không kể đến máy xúc tác của nó còn đắt quá. Tuy nhiên, tôi nghĩ rằng dầu hỏa còn tính cạnh tranh về kinh tế trong vòng hai mươi hay ba mươi năm nữa. Kỹ thuật này ít có cơ hội để có một vị trí trên thị trường. Sau đó là một chuyện khác. Và với sự tiến triển của các công nghệ, phương pháp này sẽ trở thành có lãi... Các công trình nghiên cứu cho thấy rằng đó là điều có thể làm được, điều này là một tiến bộ khoa học lớn."

Đặc biệt, điều đó có nghĩa là dự kiến, phát triển và thử nghiệm các kỹ thuật cho phép thu năng lượng mặt trời, tích lũy nó và chuyển nó cho máy phản ứng quang học mà ở đó xảy ra sự chuyển đổi CO ₂. Các nhà khoa học cũng phải hoàn thiện một kỹ thuật có hiệu quả cho phép thu và làm đậm đặc đioxyt cacbon của khí quyển. Bởi vì dioxytcacbon trong khí quyển là rất loãng (0,03% của tổng số các loại khí trong không khí)... Và ngay cả CO ₂của khói nhà máy đậm đặc nhiều hơn, có thể được khai thác ưu tiên. Nói tóm lại, tất cả điều đó sẽ kéo dài thời gian. Mac-Jacques Ledoux cho là: " Kỹ thuật của chúng ta chưa thể ứng dụng trong công nghiệp trước ít nhất mười năm" (phát biểu năm 2006 - TG).

III. BẢO ĐẢM KHẢ NĂNG SINH LỢI

Có thể tóm lược quá trình dioxyt cacbon CO ₂sản sinh ra các cacbua hydro như sau:

1. Từ bicacbonat được hòa tan: bicacbonat khi được hòa tan trong nước, sản sinh ra những proton (H ⁺)

2. Các proton được lọc: một màn Nafion, một polyme xốp nhiều lỗ, cho phép lọc các proton;

3. Một máy phát năng lượng mặt trời cung cấp các electron: Ở phía bên kia của màng, máy phát cung cấp các electron cho hệ thống. Các electrion (điện tử) di chuyển trên các ống nano được bọc bằng bạch kim, máy phát tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng.

4. Dioxyt cacbon CO ₂phản ứng: các phân tử CO ₂đưa vào phản ứng với các proton và các electron để cho những chuỗi cacbua hydro ngắn, ở đây là C ₅H ₁₂và oxy sinh ra thoát ra ngoài.

Phương pháp mô tả ở trên đã được thử nghiệm thành công bởi các nhà nghiên cứu Trường Đại học Messine ở Sicile, Italia.

Điều kiện khác để cho kỹ thuật chuyển hóa CO ₂đi được từ phòng thí nghiệm đến nhà máy, nó phải kinh tế hơn, đáng tin cậy hơn so với nhiên liệu sản xuất từ hydro và nhiên liệu sinh học. Trước hết, sản xuất hydro với quy mô lớn ngày nay chỉ có thể thực hiện được từ khí tự nhiên và không thể ra đời trước 20 hay 30 năm nữa. Việc sản xuất và dự trữ khí đó phức tạp và phải sử dụng dưới dạng các pin nhiên liệu và phải thay thế vì chúng chỉ cung cấp cho xe ôtô một quãng đường chỉ dài 200 - 250km mà thôi. Mặt khác, các nhiên liệu sinh học bắt nguồn từ thực vật như mía hay củ cải là êtanol. Ở Braxin, hiện nay êtanol từ mía chiếm tỷ lệ 40% nhiên liệu tiêu thụ ở nước này ngoài diesel. Tuy nhiên có một mấu chốt khó khăn: việc trồng trọt những loài cây đó để có nhiên liệu êtanol cần phải có những diện tích nông nghiệp quan trọng. Vì vậy trong kỳ hạn 20 đến 30 năm đó, việc sản xuất gazol từ chuyển đổi khí cacbonic giữ được sự may mắn và vai trò của nó. Với vai trò một chủ bài to lớn bổ sung đó, các xe cộ ngày nay sẽ có thể sử dụng nhiên liệu đó bởi vì nó giống như gazol hiện nay.

Tìm ra được một nhiên liệu xen kẽvới dầu hỏa đã trở thành một vấn đề cấp bách. Trong năm 2004, Cơ quan Năng lượng Quốc tế ước tính rằng chúng ta đã sử dụng 82 triệu thùng xăng dầu mỗi ngày và sự tiêu thụ đó sẽ phải tăng thêm hơn 47% từ nay cho đến năm 2030, sau sự bùng nổ về nhu cầu của những nước đang nổi lên (Ấn Độ, Trung Quốc). Thế nhưng, trữ lượng dầu hỏa trên thế giới bị đình trệ. Kết quả: một thùng dầu thô ngày nay đã vượt quá giá 60 đô la (tức 47 euro). Không chỉ là cái giá về tài chính. Ở thế kỷ XX, nhiệt độ không khí đã tăng trung bình 0,6 ^oC. Một sự nóng lên của khí hậu,nhất là do bởi sự phát thải khí CO ₂khi đốt cháy các nhiên liệu cổ điển. Trong bối cảnh đó, việc cầu viện đến các nhiên liệu sạch tỏ ra cấp bách và người ta hy vọng việc chế tạo các nhiên liệu từ chất nền CO ₂với quy mô lớn trở thành hiện thực, vừa đáp ứng được nhu cầu về nhiên liệu của con người ngày càng tăng lên,vừa giải quyết được vấn đề nóng lên của Trái Đất do các loại khí có hiệu ứng nhà kính gây ra bởi con người.

Tư liệu xử lý:

1. Voici l'essence à base de CO ₂

2. A ce jour, la méthode est trop coûteuse, mais demain?

3. Le dioxyde de carbone produit des hydrocarbures.

Revue " Science et Vie" N ^o12-2006.