Tách chiết một chất ra khỏi hỗn hợp mà không sử dụng nhiệt sẽ làm giảm lượng tiêu thụ năng lượng của thế giới một cách đáng kể và đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Trong một công bố được đăng trên tạp chí “Nature”, hai nhà khoa học là David S. Sholl và Ryan P. Lively đã tổng kết bảy quy trình phân tách làm thay đổi thế giới.
Đa số các quy trình tách chiết công nghiệp hiện nay cần rất nhiều thời gian để có thể phân tách một chất ra khỏi hỗn hợp thô ban đầu, có thể là nhiều ngày hoặc thậm chí nhiều tuần lễ. Các quy trình này, ví dụ như chưng cất, tiêu thụ tới 10-15% tổng năng lượng toàn cầu. Do đó, các nhà khoa học vẫn đang cố gắng tìm ra các phương pháp tách chiết tiết kiệm năng lượng hơn nhưng không làm giảm hiệu suất của phản ứng, đặc biệt là trên các lĩnh vực như lọc dầu, sản xuất hóa chất cơ bản, chế biến giấy, việc này có thể giúp tiết kiệm 100 triệu tấn carbon dioxide xả thải và thông qua việc tiết giảm năng lượng tiêu thụ có thể tiết kiệm 4 tỷ đô la Mỹ hàng năm.
Không may thay, nhiều phương pháp tách chiết như tách chiết dựa trên sự khác biệt về kích thước phân tử lại chỉ mới được phát triển và ước tính chi phí để đi vào vận hành cũng không hề nhỏ. Các kỹ sư công nghiệp và các nhà khoa học đang cố phát triển các hệ thống màng giá rẻ hoặc các phương pháp đặc biệt để tách chiết hóa chất mà không sử dụng nhiệt.
Dưới đây là bảy phương pháp tách chiết không dùng nhiệt đáng chú ý mà nếu được phát triển, chúng sẽ đem lại bước tiến mới cho toàn nhân loại.
Tách chiết các Hydrocarbon từ dầu thô
Dầu thô là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất nhiên liệu, nhựa và các hợp chất polymer khác. Hàng ngày, các khu lọc dầu trên toàn thế giới có thể xử lý 90 triệu thùng dầu thô, đây là một con số khổng lồ, đủ cung cấp cho mỗi người trên toàn thế giới có 2 lít dầu sử dụng mỗi ngày. Đa số các nhà máy này đều sử dụng công nghệ chưng cất ở áp suất khí quyển (AD- Atmospheric Distillation) , quy trình này tiêu thụ đến 230 gigawatt (GW) mỗi năm, tương đương với tổng năng lượng tiêu thụ của nước Anh năm 2014 và bằng nửa lượng điện tiêu thụ của bang Texas, Hoa Kỳ. Ở một khu lọc dầu quy mô nhất, mỗi ngày có 200,000 thùng dầu thô được đun nóng trong cột cao 50 mét để tạo ra hàng ngàn chất khác nhau tại các điểm nhiệt. Dầu sáng làm sản phẩm cuối của quá trình và ở đỉnh tháp (ở nhiệt độ khoảng 200C), trong khi các sản phẩm nặng hơn thì nằm ở các lớp dưới và có nhiệt độ cao hơn nhiều (có thể lên đến 4000C).
Việc tìm ra một phương pháp tách chiết khác thật sự rất khó do bản thân dầu thô đã có chứa rất nhiều các phân tử khác nhau và với độ nhớt rất lớn, chưa kể, trong hỗn hợp này có chứa rất nhiều các chất gây ô nhiễm như các hợp chất sulfur và các kim loại độc như thủy ngân và nickel. Cơ sở lý thuyết giúp các nhà khoa học phát triển một phương pháp tách chiết mới đến nay vẫn chủ yếu dựa trên sự khác biệt về các đặc tính phân tử, ví dụ như ái lực hóa học, kích thước phân tử. Các phương pháp tách chiết sử dụng màng cũng như các phương pháp không sử dụng nhiệt khác có thể có hiệu suất cao hơn so với phương pháp chưng cất ở áp suất khí quyển nhưng chúng vẫn chưa thể áp dụng vào thực tiễn và cần thêm các thí nghiệm bổ sung. Các nhà khoa học cần tìm ra các vật liệu có thể phân tách nhiều họ phân tử một lúc và tránh làm phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường.
Tách chiết Uranium từ nước biển
Năng lượng hạt nhân sẽ trở thành nguồn cung cấp năng lượng chính cho toàn thế giới trong tương lai. Mặc dù tiến trình phát triển của ngành công nghiệp hạt nhân vẫn chưa thực sự rõ ràng nhưng hiện nay, chúng ta vẫn đang tiêu thụ một lượng Uranium rất lớn. Nguồn Uranium chúng ta đang khai thác hiện nay được lấy chủ yếu từ các mỏ quặng địa chất, tuy nhiên, nguồn Uranium này không phải là vô hạn, con người cần tìm kiếm một nguồn Uranium mới. Dựa trên các thống kê mới, chúng ta có 4 tỷ tấn Uranium trong nước biển với nồng độ là một phần một tỷ.
Các nhà khoa học đã theo đuổi con đường tách chiết Uranium trong nước biển trong nhiều thập kỷ nay. Nhiều loại vật liệu mới được phát triển để “bắt giữ” các phân tử Uranium, ví dụ như các phân tử polymer xốp chứa nhóm amidoxime. Song, các phân tử polymer này không chỉ “giữ” Uranium mà còn “bắt nhầm” các kim loại khác như Vanadium, Cobalt và Nickel. Các nhà hóa học cần phát triển các quy trình mới để loại bỏ các kim loại này. Trong giai đoạn 1999-2001, các nhóm nghiên cứu Nhật Bản đã “bắt giữ” được 350 g Uranium bằng cách sử dụng một loại vật liệu hấp thụ.
Để khởi động quy trình sản xuất năng lượng hạt nhân cần hàng trăm tấn Uranium thô, do đó, các quy trình tách chiết Uranium cần sớm được hoàn thiện. Đặc biệt, các nhà khoa học cũng cần phát triển các kỹ thuật sản xuất mới nhằm giảm giá thành của các loại vật liệu hấp thụ.
Kỹ thuật này cũng có thể được biến đổi để tách chiết các kim loại có giá trị khác như Lithium (được sử dụng để sản xuất pin). Có thể bạn sẽ bất ngờ nếu biết lượng lithium hòa tan trong nước biển nhiều gấp 10 lần lượng lithium có trên đất liền. Tách chiết các Alkene từ các Alkane
Công nghiệp sản xuất nhựa như polyethene và polypropene cần một lương alkene không lồ, mà ở đây là ethane và propene (được gọi là các olefin). Hiện nay, chúng ta sản xuất tới hơn 200 triệu tấn ethane và propene mỗi năm, tương đương với việc bình quân, mỗi chúng ta sử dụng 30 kg. Việc tách chiết ethane từ ethane hiện nay vẫn dựa trên phương pháp chưng cất lạnh áp suất cao (ở nhiệt độ -1600C). Tính toán ban đầu cho thấy, chỉ riêng việc tách chiết propene và ethane đã chiếm tới 0.3% tổng lượng tiêu thụ năng lượng toàn cầu, tương đương với lượng điện năng tiêu thụ của Singapore trong một năm.Tương tự như lọc dầu, các hệ thống phân tách không dựa trên sự phân tách lớp có thể làm giảm 10% năng lượng tiêu thụ. Ví dụ, các màng carbon đang được phát triển hiện nay có thể phân tách “hơi” alkene ở nhiệt độ phòng và dưới áp suất bình thường (nhỏ hơn 10 bar). Nhưng phương pháp này vẫn chưa thể tách chiết được alkene với độ tinh khiết cao trên 99.9%.
Tách khí nhà kính từ khí thải
Việc phát thải khí CO2 và các hydrocarbon như methane từ các nhà máy luyện kim là nguyên nhân chính dẫn đến sự biến đổi khí hậu toàn cầu. Hẳn tất cả mọi người đều nghĩ chúng ta cần tách các khí nhà kính từ khí thải và xử lý chúng theo một quy trình đặc biệt. Nói có vẻ dễ nhưng thực hiện thì không dễ một chút nào. Các chất lỏng như monoethanolamine có thể phản ứng với CO2, nhưng để loại CO2 từ dung dịch sau phản ứng cần rất nhiều nhiệt năng, bên cạnh đó, để thực hiện toàn bộ quy trình này cần một lượng tiền khổng lồ. Có thể bạn sẽ chưa tin, nhưng ví dụ như ở Hoa Kỳ, việc xử lý CO2 theo phương pháp này sẽ tiêu tốn tới 30% tổng GDP tăng trưởng hàng năm. Các phương pháp khác tiết kiệm hơn hiện vẫn còn đang được nghiên cứu và phát triển.
Tách chiết các kim loại đất hiếm từ quặng
15 kim loại lanthanide, hay được gọi là các kim loại đất hiếm, được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp và trong cuộc sống hàng ngày, ví dụ như để chế tạo nam châm và làm chất xúc tác trong các phản ứng lọc dầu, europium và terbium được sử dụng trong các bóng đèn huỳnh quang. Tuy nhiên, các kim loại này lại chỉ được tìm thấy trong quặng thô và với số lượng rất nhỏ. Bên cạnh đó, các kim loại đất hiếm có các tính chất hóa học tương tự nhau nên chúng thường ở dạng hỗn hợp và rất khó phân tách.
Để tách các kim loại đất hiếm, người ta thường sử dụng các phương pháp “cơ học” như như sử dụng phân tách từ và phân tách tĩnh điện. Song, các phương pháp này không hiệu quả cho lắm, chúng tiêu tốn rất nhiều hóa chất và tạo ra quá nhiều chất gây ô nhiễm và các chất phóng xạ.
Tách chiết các dẫn xuất của Benzene
Quy trình sản xuất các loại polymer, nhựa, sợi, các dung môi và nhiên liệu phụ thuộc rất lớn vào Benzene, một hydrocarbon dạng vòng, cũng như các dẫn xuất của nó như toluene, ethylbenzene và các đồng phân của xylene. Hiện nay, các chất này vẫn được chưng cất trong các cột và tiêu thụ một lượng năng lượng rất lớn, khoảng 50 GW, năng lượng này đủ cho 40 triệu hộ gia đình sử dụng.Các đồng phân của xylene là các phân từ khác nhau chủ yếu về cấu trúc phân tử, từ đó làm thay đổi đặc tính hóa học của chúng. Các đồng phân này được sử dụng rất rộng dãi, ví dụ như para-xylene (hay p-xylene) được sử dụng để sản xuất các polymer như nhựa polyethylene terephthalate (PET). Tính riêng ở Mỹ, mỗi người đã sử dụng 8 kg p-xylene mỗi năm. Sự tương đồng về kích thước phân tử cũng như nhiệt độ sôi là rào cản chủ yếu trong việc tách chiết các loại đồng phân của xylene. Các bước tiến mới trong kỹ thuật phân tách màng hay các chất hấp thụ cho phép làm giảm lượng năng lượng tiêu thụ trong quá trình phân tách. Tuy nhiên, cũng như các quy trình phân tách ở trên, việc tách chiết các dẫn xuất của Benzen cần được cải tiến rất nhiều để có thể sử dụng trên quy mô lớn.
Tách muối từ nước biển
Sự khử muối (Desalination) - dù thông qua chưng cất hoặc qua màng lọc đều tiêu tốn rất nhiều năng lượng, điều này khiến việc tách chiết muỗi hay các chất gây ô nhiễm trong nước trở nên không khả thi. Chưng cất không phải là một phương pháp tối ưu, bằng các tính toán nhiệt động lực học, chúng ta có thể xác định năng lượng tối thiểu để tạo ra nước ngọt từ nước biển và kết quả cho ra khiến người ta gạt bỏ ngay phương án sử dụng chưng cất, quá trình này sử dụng năng lượng gấp 50 lần giới hạn cơ bản.Lọc thẩm thấu ngược, đây là quá trình sử dụng áp lực đẩy nược biển đi qua một màng lọc để tạo ra nước tinh khiết, phương pháp này chỉ cần 25% năng lượng giới hạn nhiệt động lực học. Nhược điểm của phương pháp này là các màng lọc có hiệu suất lọc không cao và chi phí để vận hành không hề nhỏ. Hiện nay, phương pháp này mới chỉ được sử dụng trên quy mô công nghiệp ở Trung Đông và Australia.
Cuối bài báo, Sholl và Lively đã nêu ra con đường giúp phát triển các kỹ thuật phân tách không sử dụng nhiệt.
1. Trong nghiên cứu, cần xem xét các hỗn hợp hóa học thực tế và các điều kiện cần thiết để thực hiện;
2. Đánh giá tính khả thi về mặt kinh tế và kỹ thuật của phương pháp;
3. Xem xét quy mô áp dụng của phương pháp (có thể áp dụng trên quy mô công nghiệp hay chỉ trong phòng thí nghiệm);
4. Đào tạo đội ngũ kỹ sư hóa học và nhà hóa học để phát triển các kỹ thuật tách chiết mới.
Phạm Ngọc Sơn
Nguồn tham khảo:
www.nature.com
Điểm 4.6/5 dựa vào 56 đánh giá
EmoticonEmoticon