Thu hôi và cô lập CO2 Hóa Môi Trường TL Môi trường

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG
-------  -------


1.

TIỂU LUẬN MÔN HỌC HÓA MÔI TRƯỜNG

Capture and

TP. Hồ Chí Minh, tháng 4 năm 2017

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 2


MỤC LỤC

MỤC LỤC ẢNH

LỜI MỞ ĐẦU
Chúng ta đang nhận thức rõ về tác động của biến đổi khí hậu do lượng khí nhà
kính gây ra. Các loại khí nhà kính phổ biến nhất trên Trái Đất gồm: hơi nước, khí
carbonic (CO 2 ), khí metan (CH 4 ), khí oxyt nitơ (N 2 O), khí ozone, và các loại khí
CFC như sulfur hexafluoride, hydrofluorocarbons và perfluorocarbons. Mức độ
góp phần gây nên hiệu ứng nhà kính của các khí chính có thể sắp xếp theo trình tự
sau: 1. Hơi nước 36–72%; 2. Khí carbonic 9–26%; 3. Khí metan 4–9%; và 4. Khí
ozone 3–7% (IPCC, 2007). Theo ước tính của IPCC khí CO 2 chiếm tới 60%
nguyên nhân của sự nóng lên toàn cầu. Nồng độ CO 2 trong khí quyển đã tăng 28%
từ 288 ppm lên 366 ppm trong giai đoạn 1850–1998 và hiện nay nồng độ CO 2 tăng

khoảng 10% trong chu kỳ 20 năm. Chính vì vậy, khí CO 2 đã trở thành đối tượng
chính trong các nỗ lực của loài người nhằm giảm phát thải khí nhà kính, dưới các
hình thức hoặc là giảm phát thải khí CO 2 hoặc thu hồi và cất giữ nó một cách an
toàn và lâu dài... Vì vậy mà nhóm chúng em đã cùng nhau tìm hiểu và đưa ra bài
báo cáo về những “PHƯƠNG PHÁP THU HỒI VÀ CẤT GIỮ CO 2 ” nhằm củng
cố kiến thức và giúp cho mọi người có một cái nhìn tổng quát hơn, sâu sắc hơn về

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 3


lợi ích của các phương pháp xử lý CO 2 hiện nay. Dù đã cố gắng rất nhiều và do
kiến thức có giới hạn nên sẽ không tránh khỏi những sai sót trong bài. Rất mong
được sự góp ý của cô và thầy để những bài báo cáo về sau sẽ đầy đủ và tốt hơn.

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 4


CHÚ THÍCH
1.

IPCC: Intergovernmental Panel on climate change.

2.

GHG: Green House Gases.

3.

CLC: Chemical looping combustion.

4.

ZIF: Zeolitic Imidazolate Frameworks.

5.

MDEA: Metyl diethanolamin.

6.

IGCC: Intergrated gasification combined-cycle.

7.

BECCS: Bio Energy with carbon capture and storage.

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 5


PHẦN I. THỰC TRẠNG
1. Nguồn gốc của CO 2 và các phản ứng liên quan:

1.1. Nguồn gốc của CO 2 :
Carbon dioxide thu được từ nhiều nguồn khác nhau trong tự nhiên như:
- Có sẵn trong không khí trong lành với hàm lượng là 0,04%.
- Khí thoát ra từ các miệng núi lửa.
- Sản phẩm cháy của các hợp chất hữu cơ.
- Hoạt động hô hấp của các sinh vật sống hiếu khí.
- Từ một số sinh vật sản xuất từ sự lên men và hô hấp tế bào.
- Từ quá trình hô hấp của cây xanh vào buổi tối.

- ...
1.2. Các phản ứng liên quan:
Sự đốt cháy của tất cả các loại nhiên liệu có chứa carbon, như khí metan
(khí tự nhiên), dầu hỏa cất (xăng, dầu diesel, dầu hỏa, propan), than đá, gỗ và các
chất hữu cơ,... Ví dụ: Phản ứng hóa học giữa metan và oxy:

Phân hủy nhiệt của đá vôi (CaCO 3 ) bằng cách nung nóng (nung) vào khoảng
850°C (1.560°F), trong sản xuất vôi sống (oxit canxi, CaO), một hợp chất mà có
nhiều công dụng công nghiệp:

Tất cả các sinh vật hiếu khí sinh ra CO 2 khi chúng oxy hoá carbohydrate,
acid béo và protein. Số lượng lớn các phản ứng liên quan rất phức tạp và không
được mô tả một cách dễ dàng. Ví dụ: Phương trình hô hấp của glucose và các
monosaccharides khác:

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 6


Carbon dioxide là một sản phẩm phụ của quá trình lên men của đường trong
sản xuất bia, rượu whisky, các đồ uống có cồn và trong việc sản xuất ethanol sinh
học. Nấm men chuyển hoá đường để tạo ra CO 2 và ethanol, còn được gọi là rượu:

Carbon dioxide có thể làm thay đổi độ pH của nước. Carbon dioxide tan ít
trong nước để tạo ra một acid yếu gọi là acid carbonic H 2 CO 3 , theo phản ứng sau:

Sau đó, acid carbonic phản ứng một chút và có thể đảo ngược trong nước để
tạo ra một cation hydronium, H 3 O + và ion bicarbonate, , theo phản ứng sau:

2. Các dạng tồn tại của CO 2 :

Carbon dioxide trong khí quyển của trái đất là một loại khí thải.
Ngoài ra, Carbon dioxide hòa tan trong đại dương để hình thành acid carbonic
(H 2 CO 3 ), bicarbonate () và carbonat (). Có khoảng 50 lần lượng carbon hòa tan
trong các đại dương như tồn tại trong khí quyển. Các đại dương đóng vai trò như
một bể chứa carbon khổng lồ và chứa khoảng một phần ba lượng CO 2 thải ra bởi
hoạt động của con người.
3. Ảnh hưởng của CO 2 đến môi trường và con người:
Các đại dương đã hấp thụ khoảng 50% lượng khí carbon dioxide (CO 2 ) thoát ra
từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch, dẫn đến phản ứng hóa học làm giảm pH đại
dương, từ khi bắt đầu thời đại công nghiệp đã làm tăng khoảng 30% ion H + thông
qua quá trình gọi là "acid hóa đại dương". Các nghiên cứu đã chứng minh lượng

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 7


CO 2 hòa tan trong đại dương ngày càng tăng càng tác động bất lợi đối với sinh vật
biển, bao gồm:

- Tỷ lệ san hô tạo ra bộ xương của chúng giảm đi, trong khi sản lượng của
nhiều loài sứa tăng.

- Khả năng của tảo biển và động vật phù du tự do để duy trì vỏ bảo vệ giảm
xuống.

- Sự sống sót của các loài cá biển, bao gồm cá thương mại và động vật có vỏ
bị giảm xuống.
Đáng chú ý: Carbon dioxide là khí nhà kính, điều này có nghĩa là gì và
những hậu quả có thể xảy ra của sự nóng lên toàn cầu là gì?

 Bức xạ từ Mặt trời làm bầu khí quyển, đại dương và đất đai của Trái Đất ấm lên.

Các bức xạ đến có thể đi qua bầu khí quyển bên ngoài để đến Trái đất, nhưng phần
lớn không thể thoát ra khỏi bầu khí quyển khi bầu khí quyển hoạt động như là van
một chiều. Chính xác có bao nhiêu bức xạ thoát ra khỏi khí quyển tùy thuộc vào
nồng độ khí nhà kính (bao gồm CO 2 , khí metan, ...). Tuy nhiên, cái gọi là hiệu ứng
nhà kính không phải là một điều xấu - không có nó, nhiệt độ của bề mặt trái đất sẽ
là -18 °C, thay vì giá trị thực tế khoảng 15°C.

 Mối quan tâm như đã đề cập trước đó, lượng bức xạ thoát ra phụ thuộc vào nồng
độ khí nhà kính trong khí quyển - làm tăng nồng độ lượng khí thải carbon dioxide,
có nghĩa là lượng bức xạ sẽ tràn ra không gian sẽ ít hơn. Điều này có nghĩa là
nhiệt độ bề mặt của Trái Đất tăng lên - khoảng 0,6°C ± 0,2°C trong thế kỷ trước.
Sự ấm lên sẽ tăng theo thời gian và có hậu quả tai hại. Những thứ này có thể bao
gồm:

 Mực nước biển dâng cao - Vùng đồng bằng duyên hải sẽ thấp hơn mực
nước biển nên không thể ở được với mực nước biển dâng cao, điều này là
kết quả của sự tan chảy của băng ở hai cực Trái Đất.

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 8


 Tác động đến nông nghiệp - Nóng lên toàn cầu có thể có những ảnh hưởng
lớn đến năng suất nông nghiệp.

 Giảm tầng ozone - Sự nóng lên sẽ làm tăng độ che phủ mây vào mùa đông.
 Thời tiết khắc nghiệt tăng - khí hậu nóng lên có thể thay đổi hệ thống thời
tiết của trái đất, có nghĩa là sẽ có nhiều hạn hán và lũ lụt hơn và nhiều cơn
bão thường xuyên và mạnh hơn.

 Sự lây lan của bệnh - Bệnh có thể lây lan sang các khu vực trước đây quá

lạnh để chúng có thể tồn tại.

 Thay đổi hệ sinh thái - Cũng giống như các bệnh, phạm vi của thực vật và
động vật sẽ thay đổi, dẫn đến sự di cư của những loại động vật đến những
khu vực có khí hậu thích hợp hơn.
Như vậy, tác động của lượng khí thải CO 2 có thể rất lớn và gây ra những
vấn đề lớn. Thậm chí giảm bớt một lượng nhỏ khí thải nhà kính cũng có thể giúp
giảm bớt các vấn đề mà các thế hệ tương lai sẽ phải đối mặt.
PHẦN II. NGUYÊN TẮC - PHƯƠNG PHÁP THU HỒI VÀ CÔ LẬP CO 2
1. Tại sao phải cô lập và thu giữ CO 2 ? Mục đích để làm gì?

1.1. Lý do:
Vì CO 2 đã được công nhận là khí nhà kính (GHG), do đó có khả năng gây
hại cho môi trường. Ủy ban liên Chính phủ về Thay đổi Khí hậu (IPCC) đã công
nhận rằng việc phát thải liên tục lượng khí CO 2 ở mức gia tăng có thể ảnh hưởng
đến khí hậu. Trong khi tác động trực tiếp của CO 2 lên môi trường vẫn còn chưa rõ
ràng, toàn cầu và quốc gia giới hạn về việc phát thải nó bao gồm Nghị định thư
Kyoto kêu gọi giảm phát thải khí nhà kính (GHG). Liên minh châu Âu sử dụng
phương thức tiếp cận thương mại để giảm CO 2 . Việc giảm lượng khí nhà kính rất
quan trọng bởi vì những tác động của biến đổi khí hậu được dự đoán là ảnh hưởng

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 9


tới bất cứ đâu từ 1-12% GDP của nhiều nước do sự thay đổi khí hậu, lũ lụt, hạn
hán và mực nước biển dâng cao. Khí thải carbon dioxide chiếm 77% lượng phát
thải khí nhà kính do con người tạo ra trong năm 2004. Hơn 98% khí thải CO 2 phát
sinh từ việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch bao gồm than đá, khí đốt tự nhiên và
dầu mỏ. Cụ thể hơn là sự đốt cháy than chiếm tới 33%.
Thu hồi carbon liên quan đến việc lưu trữ carbon dioxide dài hạn hoặc các

dạng carbon khác để giảm nhẹ hoặc trì hoãn sự nóng lên toàn cầu và tránh thay
đổi khí hậu nguy hiểm vì CO 2 trong bầu khí quyển hoạt động như tấm chăn ấm
làm cho nhiệt độ Trái Đất tăng do bức xạ bị giữ lại nhiều hơn là phản xạ lại không
gian  Trái đất nóng lên, băng tan gây lũ lụt, hạn hán,....Nên nó đã được đề xuất
như là một cách để làm chậm sự tích tụ khí quyển trong khí quyển và biển, được
thải ra bằng cách đốt các nhiên liệu hóa thạch.
Trong tự nhiên thì CO 2 được cô lập và thu giữ qua các quá trình sinh học,
hóa học và thể chất. Vì vậy, các quá trình nhân tạo đã được đưa ra để tạo ra các
hiệu ứng tương tự, bao gồm cả việc thu hồi và bắt giữ nhân tạo quy mô lớn và
việc cô lập các CO 2 công nghiệp sản xuất sử dụng các tầng chứa nước ngầm dưới
lòng đất, hồ chứa, nước đại dương, các cánh đồng dầu già hoặc các bồn chứa
carbon dioxide.

1.2. Mục đích của cô lập và thu giữ CO 2 :
Khí thải CO 2 từ việc đốt nhiên liệu hoá thạch đã được nghiên cứu từ thời
kỳ công nghiệp. Với hơn 85% năng lượng của thế giới đến từ nhiên liệu hóa thạch,
nó sẽ vẫn là nguồn năng lượng quan trọng trong tương lai. Nhưng do nhu cầu về
nhiên liệu hoá thạch ngày càng tăng nên lượng CO 2 thải ra mỗi năm đều tăng đáng
kể. Điều này đã dẫn đến mối quan ngại về tác động của lượng khí thải CO 2 đối với
sự thay đổi khí hậu toàn cầu. Nên cô lập và thu giữ CO 2 là một lựa chọn đang
được quan tâm để ổn định và giảm nồng độ CO 2 .
Năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch là một phần quan trọng đối với nền kinh
tế của các nước trên thế giới nên năng lượng sản xuất từ các nhà máy điện đốt

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 10


nhiên liệu hóa thạch là rất lớn,vì vậy việc loại bỏ sử dụng nó một cách nhanh
chóng là không khả thi. Các nhà máy năng lượng hóa thạch có thể giảm được
lượng khí thải CO 2 đốt thải ra môi trường sạch hơn bằng cách sử dụng các phương

pháp khác nhau của việc cô lập và thu giữ CO 2 để giữ mức phát thải CO 2 thấp
nhất. Do đó giảm sự tác động đến quá trình biến đổi khí hậu  giảm thiên tai xảy
ra  giảm lượng chất thải thải ra môi trường do các thiên tai tạo nên (VD: núi lửa
 khí SO2,...). Giảm lượng khí thải nhà kính phát ra môi trường. Thúc đẩy sử
dụng nguồn năng lượng tái tạo.
2. Nguyên tắc chung trong việc thu giữ và cô lập CO 2 :
CCS bao gồm ba phần:

2.1. Thu giữ carbon dioxide:
Công nghệ bắt giữ cho phép tách carbon dioxide từ khí thải trong sản xuất
điện và các quá trình công nghiệp theo một trong ba phương pháp:

- Chụp pre-đốt.
- Chụp hậu đốt.
- Oxyfuel đốt.
2.2. Vận chuyển CO 2 :
Carbon dioxide sau đó được vận chuyển bằng đường ống hoặc tàu để lưu trữ
an toàn. Hàng triệu tấn CO 2 đã được vận chuyển hàng năm cho các mục đích
thương mại bằng tàu và đường ống. Mỹ có bốn thập kỷ kinh nghiệm trong việc
vận chuyển CO 2 bằng đường ống dẫn dầu cho các dự án phục hồi dầu.

2.3. Lưu trữ khí carbon dioxide:

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 11


Carbon dioxide được lưu trữ một cách an toàn, trong các mỏ dầu và khí đốt
cạn kiệt hoặc các tầng nước ngầm ngập nước thường nằm cách bề mặt Trái đất vài
kilomet.
3. Phương pháp và vật liệu sử dụng trong quá trình thu giữ và cô lập CO 2

3.1. Ph ươ ng pháp thu CO 2 t ừ nguồ n:
Việc thu giữ CO 2 có thể có hiệu quả nhất là tại các nguồn phát sinh, chẳng
hạn như các nhà máy năng lượng lớn sử dụng nhiên liệu hóa thạch hay sinh khối,
các ngành công nghiệp có lượng khí thải CO 2 lớn, các nhà máy xử lý khí đốt tự
nhiên, tổng hợp nhiên liệu và các nhà máy sản xuất khí hydro sử dụng nhiên liệu
hóa thạch. Việc chiết xuất (phục hồi) từ không khí là có thể được, nhưng không
thực tế. Nồng độ CO 2 giảm nhanh chóng khi di chuyển khỏi điểm nguồn. Nồng độ
thấp hơn làm tăng khối lượng không khí cần phải được xử lý (để chiết xuất mỗi
tấn carbon dioxide).
Có ba phương pháp thu giữ CO 2 khác nhau: trước khi đốt, sau khi đốt và đốt
bằng nhiên liệu oxy.

3.1.1. Thu giữ trước khi đốt:
Thu giữ CO 2 trước khi đốt mang lại một số lợi thế. Thứ nhất, CO 2 chưa bị
pha loãng bởi không khí đốt. Thứ hai, dòng khí chứa CO 2 thường ở áp suất cao. Vì
thế, Có thể áp dụng các phương pháp tách hiệu quả hơn.
Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong việc sản xuất phân bón, hóa
chất, khí nhiên liệu (H 2 , CH 4 ), và điện. Trong những trường hợp này, nhiên liệu
hóa thạch được oxy hóa một phần, chẳng hạn trong một quy trình khí hóa. Khí
tổng hợp thu được (CO và H 2 O) được phân tách thành CO 2 và H 2 . CO 2 thu được có
thể được thu giữ từ một dòng khí tương đối tinh khiết. H 2 khi đó được sử dụng
làm nhiên liệu. CO 2 sẽ được loại bỏ sau khi đốt các nhiên liệu hóa thạch trước khi
CO 2 bị phát tán ra do áp suất khí quyển. Quy trình này được áp dụng cho các nhà
máy nhiệt điện dùng nhiên liệu hóa thạch mới, hoặc cho những nhà máy cũ nơi

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 12


các trạm điện có thể được thay thế. Thu giữ trước khi phát tán, chẳng hạn từ khí

nén, là tiêu chuẩn trong phần lớn quy trình thu giữ CO 2 công nghiệp, với quy mô
tương tự như được yêu cầu cho các nhà máy điện tiện ích.

Hình II.1. Carbon sequestration_2009-10-07

3.1.2. Thu giữ sau khi đốt:
CO 2 được loại bỏ sau khi đốt nhiên liệu hóa thạch, đây là chương trình có
thể áp dụng cho các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Tại đây, carbon
dioxide được thu giữ từ các khí thải tại các nhà máy điện hoặc những điểm nguồn
lớn khác. Công nghệ này đã được hiểu biết rõ và hiện đang được sử dụng trong
các ứng dụng công nghiệp khác, mặc dù không có quy mô đủ để có thể áp dụng
cho một nhà máy điện quy mô thương mại.

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 13


Hình II.2. Quy trình thu giữ CO 2 sau khi đốt

3.1.3. Đốt nhiên liệu bằng oxy:
Khi một nhiên liệu hóa thạch (than, dầu và khí tự nhiên) bị đốt cháy trong
không khí, phần CO 2 trong khói khí dao động từ 3-15%, tùy thuộc vào hàm lượng
carbon của nhiên liệu và lượng không khí thừa cần thiết cho quá trình đốt.

Hình II.1. Quy trình đốt nhiên liệu bằng oxy

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 14


Nhiên liệu được đốt trong oxy thay vì không khí. Để hạn chế nhiệt độ cháy
phát sinh ở mức thông thường như trong quá trình đốt thông thường, khí thải được

làm mát được tái tuần hoàn và được bơm vào buồng đốt. Khí thải gồm chủ yếu là
carbon dioxide và hơi nước, sau đó hơi nước được ngưng tụ thông qua quá trình
làm mát. Kết quả là một dòng khí carbon gần như tinh khiết có thể được vận
chuyển đến nơi cô lập và được cất trữ. Những quy trình của nhà máy điện dựa trên
việc đốt nhiên liệu bằng oxy đôi khi được gọi là các chu trình "không khí thải", vì
CO 2 được cất trữ không phải là một phần được lấy từ dòng khí thải (như trong các
trường hợp thu giữ trước và sau khi đốt) mà chính là bản thân dòng khí thải. Một
phần CO 2 nhất định phát sinh trong khi đốt sẽ chắc chắn kết thúc trong nước được
ngưng tụ. Để đảm bảo nhãn hiệu "không khí thải" thì nước sẽ phải được xử lý
hoặc thải ra một cách thích hợp.
Một phương pháp thay thế hiện đang trong quá trình phát triển, là đốt bằng
vòng lặp hóa chất (CLC). Vòng lặp hóa chất sử dụng một oxide kim loại làm chất
trung chuyển oxy rắn. Oxide kim loại sẽ phản ứng với một nhiên liệu rắn, lỏng
hoặc khí trong một buồng đốt tầng sôi, tạo ra các hạt kim loại rắn và một hỗn hợp
của carbon dioxide và hơi nước. Hơi nước được ngưng tụ, để lại carbon dioxide
tinh khiết để có thể được cô lập sau đó. Các hạt kim loại rắn được tuần hoàn đến
một tầng sôi khác để phản ứng với không khí, sinh nhiệt và tái sinh ra các hạt
oxide kim loại được tái tuần hoàn đến buồng đốt tầng sôi. Một biến thể khác của
vòng lặp hóa chất là vòng lặp canxi, sử dụng quá trình carbon hóa xen kẽ và sau
đó là nung nóng một chất trung chuyển canxi oxide làm phương tiện để thu giữ
CO 2 .

3.2. Ph ươ ng pháp tách CO 2 t ừ khói th ả i c ủ a các nhà máy nhi ệt đi ện.
Quá trình

3.2.1. Tách CO 2 bằng phương pháp hấp thụ
Phương pháp này chủ yếu sử dụng dung môi hóa học tái sinh là các base
yếu. Bản chất của phương pháp hấp thụ hóa học là phản ứng hóa học giữa dung

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 15

môi base và khí CO 2 (có tính acid) để tạo thành dung dịch muối tan. Trong quá
trình tái sinh dung môi, các muối này có thể phân hủy bởi nhiệt. Các dung môi
thường dùng là monoethanolamine (MEA), methyldiethanolamine (MDEA),
diethanolamine (DEA). Phản ứng cơ sở của phương pháp này như sau:

Sản phẩm CO 2 sau khi ngưng tụ (áp suất khoảng 25psi) được làm khô và nén
tới áp suất phù hợp để thuận lợi cho quá trình thu gom. Độ sạch của CO 2 tách từ
quá trình hấp thụ bằng dung môi amine đạt 99,9% thể tích. Chất lượng của CO 2
sau khi làm sạch đáp ứng tiêu chuẩn dùng cho thực phẩm.
Trên thế giới có nhiều hãng cung cấp bản quyền phương pháp tách CO 2 bằng
phương pháp hấp thụ. Dưới đây là một số bản quyền phương pháp hấp thụ hóa học
thấp áp tách CO 2 từ khí thải.

3.2.1.1. Fluor Daniel Inc./Econamine FGSM
Công nghệ Econamine FGSM sử dụng dung môi MEA có nồng độ 30% khối
lượng, kết hợp với phụ gia ức chế quá trình ăn mòn và ức chế quá trình biến tính
dung môi. Với những đặc tính của phụ gia bổ sung vào dung môi hấp thụ, công
nghệ Econamine FGSM cho phép sử dụng vật liệu thép carbon để xây lắp hệ thống
nên giảm được chi phí đầu tư. Bên cạnh đó, giảm tiêu hao MEA bị biến tính khi có
mặt O 2 trong khói lò cũng góp phần giảm chi phí vận hành. Tuy nhiên, các phụ gia
ức chế lại có giá thành cao, chi phí các phụ gia chiếm đến 20% tổng chi phí dung
môi bổ sung trong quá trình vận hành. Fluor Daniel Inc. đã cung cấp bản quyền
công nghệ ứng dụng cho hơn 20 hệ thống tách CO 2 trên thế giới, công suất tách
các hệ thống này là 4,8 – 360 tấn CO 2 /ngày. Công nghệ này chỉ ứng dụng cho các
cột tháp hấp thụ có chu vi nhỏ hơn 12,8m.

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 16

Hình II.4. Các phương pháp tách CO 2 từ khói thải của các nhà máy nhiệt điện

3.2.1.2. Mitsubishi Heavy Industries (MHI)
MHI bắt đầu nghiên cứu quá trình xử lý tách loại CO 2 trong khói thải từ năm
1990 và đưa vào thử nghiệm vận hành bán công nghiệp năm 2003. MHI chú trọng
đến việc nghiên cứu tăng tốc độ dòng khói thải trong tháp hấp thụ, giảm kích
thước lớp đệm và giảm tiêu hao dung môi hấp thụ.
MHI đã cung cấp bản quyền công nghệ cho các hệ thống tách CO2 có công suất 800
tấn CO2/ngày và đang hướng đến hệ thống có khả năng tách 3.000 tấn CO2/ngày trong
tương lai gần. Đến nay, công nghệ bản quyền của MHI đã được ứng dụng cho gần 10 hệ
thống tách CO2 trên thế giới, chưa kể một số dự án tiềm năng đang trong giai đoạn đàm
phán

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 17


Hình II.5. Sơ đồ thiết bị hấp thụ và nhả hấp thụ CO 2 sử dụng dung môi hóa học

3.2.2.

Tách CO 2 bằng phương pháp hấp phụ

Bản chất của phương pháp hấp phụ là các phân tử CO 2 được giữ lại trên bề
mặt của chất hấp phụ. Các chất hấp phụ CO 2 thường được sử dụng phổ biến là
than hoạt tính, zeolite, silicagel, nhôm. Hệ thống hấp phụ hoạt động theo ba bước:
hấp phụ CO 2 , loại bỏ các loại khí khác và giải hấp để tách CO 2 . Thiết bị của quá
trình này chứa ba lớp vật liệu hấp phụ để tối ưu hóa hiệu suất:

- Khói thải đi vào tháp hấp phụ từ phía dưới, khí đã tách CO 2 thoát ra từ đỉnh

tháp.

- Bơm CO 2 vào tháp để loại triệt để khí N 2 .
- Bơm chân không để giảm áp suất trong hệ thống thiết bị giải hấp CO 2 .

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 18


Hình II.6. Thiết bị hấp phụ CO 2

3.2.3. Tách CO 2 từ khói thải bằng phương pháp màng lọc
 Màng hấp thụ khí
Màng hấp thụ khí sử dụng dung môi để hấp thụ CO 2 . CO 2 khuếch tán giữa
các lỗ màng, sau đó được hấp thụ bởi dung môi. Màng đóng vai trò tăng cường và
duy trì tiếp xúc của pha khí và pha lỏng. Màng hấp thụ khí được sử dụng khi áp
suất riêng phần của CO 2 thấp (vì động lực tách khí nhỏ). Các lỗ xốp của màng cho
phép khí tiếp xúc với dung môi. CO 2 được hấp thụ bởi tính chọn lọc của dung
môi. Màng không tự tách CO 2 từ các khí khác mà chỉ có vai trò khuếch tán khí
trong các lỗ xốp nằm chắn giữa pha lỏng và khí. Hiệu quả tách CO 2 bằng màng
hấp thụ khí cao hơn hiệu quả tách CO 2 bằng dung môi thông thường nên kích
thước thiết bị giảm. Dạng module thường được sử dụng là màng sợi rỗng.

 Màng tách khí
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 19


Lợi thế của việc sử dụng màng tách khí là thiết bị nhỏ gọn vì không sử dụng
dung môi. Chi phí chính cho phương pháp này là năng lượng cần thiết để tạo áp
suất đủ lớn cho pha khí. Các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của màng là kích
thước phân tử khí, nồng độ khí, chênh lệch áp suất và độ chọn lọc của vật liệu

màng.
Cơ chế tách khí của màng phụ thuộc vào kích thước lỗ màng: cơ chế rây
phân tử (lỗ màng kích thước từ 0 - 0,5nm), cơ chế khuếch tán bề mặt (từ 0,5 2,5nm), cơ chế khuếch tán Knudsen (kích thước > 2,5nm).

Hình II.7. Cơ chế tách khí của màng tách khí

3.2.4. Tách CO 2 từ khói thải bằng phương pháp làm lạnh sâu
Kỹ thuật làm lạnh sâu sử dụng nhiệt độ thấp để làm lạnh, ngưng tụ và tách
CO 2 từ hỗn hợp khí. Có hai phương pháp làm lạnh sâu:

- Đông lạnh : khói thải dưới áp lực cao được làm lạnh đến nhiệt độ đông đặc
của CO 2 , chỉ có CO 2 ngưng tụ, các khí khác thoát ra ngoài.

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 20


- Tạo các hydrate : nước lạnh được đưa vào khói thải đã làm mát. Tại nhiệt độ
và áp suất thích hợp, CO 2 và nước đóng băng với nhau tạo các tinh thể
(băng) chứa CO 2 . CO 2 dễ dàng thu lại bằng cách đun nóng các tinh thể
hydrate.

Hình II.8. Sơ đồ nguyên lý và thiết bị phương pháp làm lạnh sâu
Khói thải ở nhiệt độ 313 o K và áp suất 6 bar được làm khô và lạnh xuống
170 o K trước khi đi vào thiết bị tách, CO 2 được nén và làm lạnh kết tinh dưới dạng
đá (tuyết), phần hỗn hợp không chứa CO 2 thoát ra ngoài. Đá CO 2 đi xuống thiết bị
hóa lỏng (230 o K) và sử dụng bơm để tăng áp cho dòng này.
Phương pháp làm lạnh sâu xử lý dòng CO 2 có nồng độ cao (> 90%), do đó
không phù hợp cho khói thải từ công nghệ thu CO 2 sau khi đốt nhưng phù hợp sử
dụng công nghệ thu CO 2 trước khi đốt và đốt bằng O 2 . Ưu điểm của phương pháp
làm lạnh sâu cho phép sản xuất trực tiếp CO 2 lỏng. Tuy nhiên, nhược điểm của

phương pháp này là cần năng lượng lớn để làm lạnh cho quá trình.

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 21


3.3. V ậ t li ệ u thu gi ữ CO 2 .
3.3.1. ZIF:
Khí carbonic bị thu giữ nhờ một loại vật liệu mới được thiết kế bởi Yaghi và
các đồng nghiệp gọi là cơ cấu zeolitic imidazolate, hay ZIF. Đây là những kết cấu
hóa học tinh vi và có những lỗ li ti hình tổ ong, với diện tích bề mặt lớn, có thể
nung ở nhiệt độ cao mà không bị phân hủy và đun trong nước hoặc các dung môi
hữu cơ trong một tuần mà không hề bị biến đổi. Thu giữ được khí cacbonic sẽ tạo
ra năng lượng sạch hơn. ZIF trong một ống khói sẽ giữ lại khí cacbonic trong các
lỗ li ti trước khi chuyển nó đến nơi lưu giữ. ZIF có thể loại bỏ khí cacbonic khỏi
các loại khí khác phát ra và lưu trữ nhiều gấp 5 lần so với các vật liệu carbonic
xốp hiện tại. Với mỗi lít ZIF, có thể giữ tới 83 lít khí carbonic.

Hình II.9. Vật liệu ZIF

3.3.2. Nott-300
Là vật liệu thuộc loại vật liệu rắn xốp.Chúng sẽ giúp bẫy các chất gây hiệu
ứng nhà kính như CO 2 và SO 2 một cách có chọn lọc. Vật liệu Nott-300 sẽ thu khí
CO 2 và SO 2 thông qua việc hình thành liên kết hydro và được củng cố bởi liên kết
siêu phân tử cực yếu với nguyên tử C-H vào vòng chất thơm. Nott-300 cũng có
tính chọn lọc cao, ít hoặc không hấp thụ vào lỗ chân lông các loại khí khắc như:

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 22


hydro, nitơ, khí metan hay oxy. Đồng thời, Nott-300 còn có tính ổn định hóa học

cao trong tất cả các dung môi hữu cơ phổ biến và ổn định trong nước ở nhiệt độ
lên đến 400 o C. Giá thành của vật liệu mới Nott-300 lại rất rẻ do được sản xuất từ
các nguyên liệu hữu cơ giá rẻ và lấy nước làm dung môi.

Hình II.2. Vật liệu Nott-300 thu khí CO 2

3.3.3. NOTT-202a
Nhóm nghiên cứu thuộc trường Đại học Nottingham (Anh) đang phát triển
một loại vật liệu xốp mới với tên gọi NOTT-202a có khả năng hút CO 2 , đánh dấu
bước tiến đáng kể trong việc tạo ra các sản phẩm thu giữ carbon. NOTT-202a bao
gồm các phân tử kết hợp 4-COOH dạng tổ ong được hình thành bởi một chuỗi
phân tử hoặc ion gắn với một nguyên tử kim loại trung tâm, tạo nên một cấu trúc
mới gồm hai khung đan cài vào nhau.

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 23


Hình II.3. Cấu trúc của các loại vật liệu xốp
Cấu trúc của loại vật liệu này cho phép nó hút được nhiều loại khí như nitơ
(N 2 ), metan (CH 4 ), hydro (H 2 ) hay carbonic (CO 2 ). Song, dưới điều kiện áp suất
thấp, chỉ có CO 2 bị giữ lại, còn các khí khác đều được giải phóng. Khó khăn lớn
mà nhóm nghiên cứu đang gặp phải là chi phí của một số thành phần cấu tạo nên
loại vật liệu kể trên không hề rẻ, nhất là kim loại indium.

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 24


3.3.4. Polyme xốp (miếng bọt biển bằng nhựa dẻo).

Hình II.4. Chu trình hỗn hợp khí hóa tích hợp (IGCC)

Là một tấm plastic giống như miếng xốp hút khí thải nhà kính carbon
dioxide (CO 2 ) có thể dễ dàng chuyển đổi dạng nhiên liệu hóa thạch ô nhiễm này
thành các nguồn năng lượng mới, ví dụ như hydro. Vật liệu này – giống một dạng
plastic được dùng để gói thực phẩm. Loại polyme này ổn định, rẻ tiền, và nó hút
CO 2 rất tốt. Loại vật liệu mới này sẽ là một phần của công nghệ tích hợp gọi là
“chu trình hỗn hợp khí hóa tích hợp” (IGCC), có thể chuyển hóa nhiên liệu hóa
thạch thành khí hydro. Vật liệu này cũng phình ra một cách từ từ khi nó hút khí
CO 2 và các khoảng trống nhỏ tí xíu nằm giữa các phân tử của nó. Tiến sĩ Cooper
tại trường Đại học Liverpool giải thích: “Khi áp suất giảm xuống, chất hấp phụ
xẹp hơi và thải ra khí CO 2 mà họ có thể thu giữ lại hoặc chuyển hóa thành các hợp
chất carbon có ích”.
Vật liệu này là một loại bột giống cát, có màu nâu, được tạo ra bằng cách
gắn kết nhiều phân tử gốc carbon nhỏ bé thành một mạng lưới. Cooper giải thích
rằng, ý tưởng sử dụng cấu trúc này có cảm hứng từ polystyrene, một chất dẻo

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG 25