Quá trình "xanh" biến rác thải thành vật liệu giá trị

Vật liệu graphene là một cấu trúc của carbon, có định dạng là một lớp của các liên kết hai chiều hình lục giác mà mỗi đỉnh của lục giác là một nguyên tử carbon. Carbon vốn có nhiều cấu trúc khác như than chì, than, ống nano carbon hay fullerene. Với cùng tỷ lệ độ dày, graphene sẽ khỏe hơn 100 lần so với loại thép mạnh nhất.

Mới đây, một quy trình xử lý mới được nhà hóa học James Tour, Phòng thí nghiệm thuộc Đại học Rice công bố có thể biến một số lượng lớn tất cả các nguồn carbon nào thành những mảnh graphene có giá trị. Giáo sư hóa học Tour cho biết, kỹ thuật flash graphene (kỹ thuật biến carbon thành graphene trong một chùm ánh sáng và nhiệt độ cao) có thể chuyển đổi một tấn than, thực phẩm bỏ đi hoặc rác thải nhựa thành graphene với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ so với các phương pháp sản xuất vật liệu graphene khác.

“Đây là một vấn đề lớn”, Giáo sư Tour nói. “Thế giới bỏ phí khoảng 30 đến 40% lượng thực phẩm bị hỏng, và rác thải nhựa là mối lo lắng toàn cầu. Chúng tôi đã chứng minh là tất cả các vật liệu rắn nền tảng carbon, bao gồm cả các hỗn hợp rác thải nhựa và lốp cao-su, đều có thể chuyển thành graphene”.

Theo công bố đăng tải trên tạp chí Nature, flash graphene được tạo ra trong 10 mili giây vật liệu chứa carbon đến 3.000 độ Kenvin (hơn 2.700 độ C). Nguồn vật liệu có thể như tất cả những gì có thành phần carbon. Thực phẩm bỏ đi, rác thải nhựa, than cốc, dầu mỏ, than đá, phế thải gỗ và các sản phẩm sinh học đều có thể làm nguyên liệu, Giáo sư Tour cho biết. “Với giá thành hiện tại của graphene từ 67 nghìn đến 200 nghìn USD một tấn, triển vọng cho công nghệ này rất tuyệt vời”, ông nói.

Giáo sư Tour cho biết sử dụng 0,1% graphene trộn với xi-măng để đúc bê-tông có thể giảm thiểu đi một phần ba những tác động đến môi trường. Quá trình sản xuất xi-măng phát thải ra khoảng 8% tổng lượng CO2 mà con người thải ra hằng năm.

“Với việc làm cứng bê-tông bằng graphene, chúng ta có thể sử dụng ít bê-tông trong xây dựng hơn và có thể làm giảm chi phí để sản xuất và vận chuyển”, ông nói. “Về bản chất, chúng ta có thể bẫy khí nhà kính như dioxide carbon và metal mà thực phẩm thải ra từ bãi rác. Chúng tôi đang chuyển đổi những loại carbon này thành graphene và bổ sung graphene này vào bê-tông, từ đó làm giảm tổng lượng carbon dioxide thải ra trong sản xuất bê-tông”.

“Biến rác thải thành thứ quý giá là chìa khóa cho nền kinh tế tuần hoàn”, đồng tác giả nghiên cứu Zouzbeh Shahsavari, trợ lý giáo sư tại Đại học Rice, Chủ tịch của C-Crete Technologies nói. “Ở đây, graphene hoạt động đồng thời là tấm dưỡng hai chiều, vừa là tác nhân gia cường trong hydrat bê-tông và tăng cường độ cứng tiếp sau đó”.

Giáo sư Tour nói, trong quá khứ, “graphene quá đắt để sử dụng. Quá trình mới này sẽ giảm giá graphene rất nhiều trong khi giúp chúng ta quản lý chất thải tốt hơn. Với phương pháp của chúng tôi, carbon sẽ được cố định. Chúng sẽ không quay lại không khí nữa”.

Ông Tour nói thêm, quá trình này gắn kết với sáng kiến ​​Carbon Hub được công bố gần đây của Đại học Rice nhằm tạo ra một tương lai không phát thải, tái sử dụng hydrocarbon từ dầu và khí để tạo ra khí hydro và carbon rắn với lượng khí thải carbon dioxide bằng không. Quá trình flash graphene có thể chuyển đổi carbon rắn đó thành graphene cho bê tông, nhựa đường, tòa nhà, xe hơi, quần áo và nhiều thứ khác.

Nhà hóa học James Tour và nghiên cứu sinh Duy Luong đang nghiên cứu về vật liệu graphene. Trong nháy mắt, muội than biến thành graphene thông qua một kỹ thuật được phát triển bởi các nhà khoa học của Đại học Rice. Quá trình có thể mở rộng hứa hẹn sẽ nhanh chóng biến carbon từ bất kỳ nguồn nào thành graphene số lượng lớn.

Và tham vọng biến than đá thành vật liệu giá trị cao

Lò nung Flash Joule dùng để tạo ra graphene được Duy Luong, sinh viên đã tốt nghiệp và là tác giả chính của nghiên cứu, phát triển tại Phòng thí nghiệm của Đại học Rice.

Phòng thí nghiệm cũng cho biết đã sử dụng bã cà-phê để chuyển đổi thành các lớp đơn graphene nguyên sơ.

Theo những nhà nghiên cứu, các vật liệu hỗn hợp của graphene với nhựa, kim loại, gỗ dán, bê-tông và các loại khác là thị thường chính cho flash graphene.

Quá trình flash xảy ra trong một lò phản ứng được thiết kế để nung nóng vật liệu rất nhanh và giải phóng ra các thành phần không carbon như khí. Theo Giáo sư James Tour, “khi quá trình này được công nghiệp hóa, các thành phần như khí ô-xy và ni-tơ thoát khỏi lò phản ứng có thể bị giữ lại dưới dạng phân tử bởi chúng có giá trị”.

Quá trình flash này tạo ra rất ít nhiệt, truyền gần như toàn bộ năng lượng vào mục tiêu. “Thậm chí bạn có thể chạm ngón tay vào thùng chứa vài giây sau đó. Hãy nhớ rằng nó nóng gần gấp ba lần so với các lò lắng đọng hơi hóa học chúng ta đã sử dụng để tạo ra graphene, nhưng trong quá trình flash, nhiệt tạo ra tập trung chủ yếu cho vật liệu carbon và không có quanh lò phản ứng. Năng lượng dư thừa phát ra ngoài là ánh sáng, một ánh sáng rất chói và vốn không có dung môi nào nên nó là quá trình rất sạch”, Giáo sư Tour nói.

Luong đã không mong chờ tìm kiếm graphene khi anh bắt đầu khởi động thiết bị quy mô nhỏ để tìm kiếm các giai đoạn mới của vật liệu, bắt đầu bằng một mẫu carbon đen. “Việc này chỉ bắt đầu khi tôi xem một bài báo trên tạp chí Science nói về lò nung flash joule để tạo ra hạt nano kim loại”, Luong nói. Nhưng anh nhanh chóng nhận ra quá trình này chẳng tạo ra gì khác ngoài graphene chất lượng cao.

Đồng tác giả Ksenia Bets cũng xác nhận nhiệt độ là chìa khóa của việc hình thành vật liệu nhanh chóng. Cô nói: “Chúng tôi chỉ đẩy nhanh quá trình địa chất vốn diễn ra rất chậm để carbon chuyển thành trạng thái cơ bản là than chì. Quá trình được đẩy nhanh bằng một đợt tăng nhiệt, nó cũng đã dừng lại đúng thời điểm để tạo thành graphene”.

Giáo sư Tour hy vọng có thể sản xuất mỗi ngày khoảng 1 kg graphene trong vòng hai năm với một dự án được tài trợ từ Bộ Năng lượng Mỹ với mục đích chuyển đổi nguồn than của nước này. “Nó cung cấp một giải pháp sử dụng than đá ở quy mô lớn thành vật liệu xây dựng có giá trị cao hơn nhiều”, ông nói.

Công trình này được Văn phòng Nghiên cứu Khoa học Không quân và Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ hỗ trợ. Giáo sư Tour cũng được Bộ Năng lượng Mỹ và công ty khởi nghiệp Universal Matter Ltd tài trợ để mở rộng nghiên cứu giai đoạn tiếp theo.