Màng gốm có thể là chìa khóa cho việc sử dụng hydro trong tương lai

Trọng tâm nghiên cứu hiện nay là tạo ra phương pháp hiệu quả, kinh tế sản xuất hydro dùng để vận hành pin nhiên liệu. Tuy nhiên, công nghệ này cũng quan trọng trong việc cải thiện sản xuất hydro cho các ứng dụng khác trong công nghiệp hóa chất và các ngành công nghiệp khác. Một số nhà dự báo xu thế "Nền kinh tế hydro" trong tương lai lo ngại về khả năng thiếu nhiên liệu dầu. Tuy nhiên, phương pháp của Argonne cũng có thể làm việc với khí tổng hợp sản xuất từ than như dự báo trong Chương trình "Thế hệ Tương lai" ("FutureGen") của chính quyền Bush đề ra.

Theo Balu Balachandran, Nhà nghiên cứu về gốm và là Giám đốc bộ phận gốm của Cơ quan Công nghệ Năng lượng của Argonne, hydro là nhiên liệu lựa chọn cho tương lai. Công nghệ này tạo ra phương tiện tiến tới tương lai. Các màng gốm giúp không phải sử dụng các cơ sở sản xuất hydro thông thường, giá đắt; một ngày nào đó chúng có thể sẽ được thiết kế nhỏ gọn và hiệu quả, phù hợp để lắp đặt tại mỗi trạm khí.

Giống như các màng gốm khác, màng gốm theo thiết kế mới của Argonne được chế tạo từ vật liệu dẫn điện, tỷ trọng lớn, chỉ cho phép electron và một số ion đi qua. Màng này có các tính chất đặc trưng khác nhau, tùy thuộc vào vật liệu chế tạo. Để đáp ứng mục đích sử dụng, nhóm nghiên cứu của Balachandran đã "phát triển vật liệu gốm-oxyt composit chỉ chuyển vận các ion hydro và electron. Tính chất này cho phép màng có thể tách hydro tinh khiết, thích hợp để vừa sử dụng làm nhiên liệu sạch vừa để sản xuất các sản phẩm khác".

Các tính chất ở nhiệt độ cao

Không giống hầu hết các hệ thống sử dụng màng thông thường, thiết kế hydro của Argonne có thể chịu được nhiệt độ cao đến 900 ^oC. Tính chất này được coi là một ưu thế trong sản xuất hydro, "vì chúng làm cho các phân tử chuyển động nhanh hơn, có tác dụng đẩy nhiều nguyên tử hydro hơn vào màng". Kết quả là, đẩy nhanh tốc độ quá trình tách khí.

Theo Balachandran, nguyên liệu thô khả dĩ nhất hiện nay là khí tổng hợp "thường được sử dụng để sản xuất điêzen lỏng và nhiên liệu vận tải khác, cũng như hóa chất cho ngành công nghiệp hóa dầu, cao su, nhựa và phân bón". Hiện nay, trong hầu hết trường hợp, khí tổng hợp được chế biến từ khí tự nhiên, mặc dù các nghiên cứu đang được tiến hành để đạt tới các phương pháp khí hóa hiệu quả trên cơ sở dùng than.

Khí tổng hợp từ khí tự nhiên được sản xuất bằng cách cho khí phản ứng với oxy. Metan, là thành phần chủ yếu của khí tự nhiên, chứa hydro liên kết chặt chẽ với cacbon, nhưng khí hydro này sẽ được giải phóng khi oxy liên kết với cacbon.

Phương pháp trực tiếp sản xuất hydro này có thể tốn kém. Nhóm nghiên cứu đã đề xuất một giải pháp tiềm năng là sử dụng kỹ thuật hai công đoạn, dùng thêm một màng thứ hai (do Argonne phát triển khoảng 10 năm trước đây) để chiết tách oxy. Trong trường hợp này, các electron ở một phía của màng vận chuyển oxy kết hợp với oxy tạo thành các ion oxy mang điện tích âm có thể di chuyển qua màng. Khi hiện tượng này diễn ra, các electron bị tách ra khỏi các ion, chuyển hóa chúng trở lại thành nguyên tử oxy trung hòa và giải phóng electron để di chuyển lại qua màng, tạo thành nhiều ion hơn nữa.

Quy trình hai công đoạn

Trong các thí nghiệm cuối, nhóm nghiên cứu của Argonne đã chứng minh màng oxy có thể tách oxy, oxy này phản ứng với metan để tạo ra khí tổng hợp. Phân tích của Argonne cho thấy, bổ sung thêm khả năng cho quy trình tách hydro có thể tạo ra phương pháp hiệu quả hơn nhiều để sản xuất hydro tinh khiết. Theo Balachandran, cả hai màng hydro và oxy đều hoạt động được ở nhiệt độ cao như nhau, dẫn đến khả năng có thể vận hành chúng ở dạng tiếp đôi. Một màng bổ sung oxy cho metan để sản xuất khí tổng hợp và màng kia chiết tách hydro khỏi khí tổng hợp.

Balachandran cho biết, các nhà nghiên cứu đã chứng minh được, về nguyên tắc, quy trình này hoạt động, song, để phát triển màng gốm đưa ra thị trường, cần giải quyết một số yêu cầu kỹ thuật, như nâng cấp hệ thống và kết hợp vào các hệ thống sẵn có hiện nay ở các nhà máy điện. Nhóm nghiên cứu do ngành công nghiệp chủ trì đang nghiên cứu phát triển sản phẩm nguyên mẫu dùng trong thực tiễn và Argonne dự kiến, nếu thành công, sẽ có thể đưa công nghệ này ra thị trường trong 5-6 năm nữa.

Nguồn: Technology Forecasts, 6/2004