Úc phụ thuộc rất nhiều vào urê nhập khẩu để đáp ứng nhu cầu của ngành nông nghiệp, nhập khẩu khoảng 3,8 triệu tấn vào năm 2024. Đồng thời, nước này phải đối mặt với áp lực ngày càng tăng trong việc giảm phát thải công nghiệp trên nhiều lĩnh vực. Các nhà nghiên cứu tại Đại học New South Wales đang tìm cách giải quyết cả hai thách thức này bằng cách phát triển công nghệ chuyển đổi chất thải carbon dioxide và nitơ gây ô nhiễm thành phân urê, có khả năng tạo ra nguồn đầu vào nông nghiệp thiết yếu này trong nước đồng thời giảm tác động đến môi trường.
Từ phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp
Không giống như nghiên cứu cơ bản điển hình kết thúc ở giai đoạn phòng thí nghiệm, nhóm UNSW đang tích cực theo đuổi việc dịch thuật ở quy mô-công nghiệp. Các nhà nghiên cứu đang sử dụng máy điện phân urê, thiết bị được coi là tiêu chuẩn để sản xuất urê có thể mở rộng, để kiểm tra tính khả thi của việc chuyển đổi khí thải thành phân bón ở quy mô lớn hơn. Để hiểu cách hoạt động của vật liệu trong điều kiện-thế giới thực, nhóm đã sử dụng đặc tính chùm tia điện tử-tiên tiến tại Synchrotron Australia. Kỹ thuật này cho phép họ quan sát các phản ứng hóa học trong thời gian thực, tạo ra dữ liệu quan trọng cho việc triển khai công nghiệp trong tương lai.
Tiến sĩ Daiyan, trưởng dự án, nhấn mạnh rằng kỹ thuật xúc tác cẩn thận và giám sát{1}thời gian thực là điều cần thiết để đảm bảo tính chọn lọc và hiệu quả, đặc biệt là khi mở rộng quy mô từ điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát sang môi trường công nghiệp.
Giải quyết sự phụ thuộc vào urê của Australia
Mặc dù là nước xuất khẩu nông sản lớn nhưng Úc không sản xuất đủ urê trong nước, khiến ngành này dễ bị tổn thương trước những biến động của thị trường toàn cầu. Tiến sĩ Daiyan nói: “Sự phụ thuộc này là một điều đáng tiếc, đồng thời là một lỗ hổng chiến lược”. Bằng cách sản xuất urê sạch tại địa phương từ điện tái tạo và carbon thải, quốc gia này có thể giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu và cải thiện khả năng phục hồi của chuỗi cung ứng. Cách tiếp cận này cũng phù hợp với việc tăng cường giám sát khí thải theo quy định, hiện đã mở rộng ra ngoài phạm vi carbon dioxide để bao gồm các chất ô nhiễm có nguồn gốc nitơ-khác.
Nghiên cứu nhấn mạnh cách các nguyên tắc hóa học tuần hoàn có thể tích hợp dòng chất thải từ nhà máy xi măng và dư lượng nông nghiệp vào sản xuất phân bón, biến những thách thức về môi trường thành các sản phẩm có giá trị thương mại.
Phương pháp thu hồi và chuyển đổi carbon
Không giống như các công nghệ thu khí trực tiếp, phương pháp UNSW tập trung vào việc sử dụng lượng khí thải không thể tránh khỏi từ các nguồn công nghiệp và sinh học. Các thử nghiệm ban đầu trong phòng thí nghiệm cho thấy kết quả đầy hứa hẹn về tính chọn lọc, cho thấy CO₂ từ các hoạt động công nghiệp hiện tại có thể được chuyển hóa thành urê một cách hiệu quả. Dự án vẫn đang được phát triển nhưng nó là một con đường thực tế để chuyển đổi các chất ô nhiễm carbon và nitơ thành vật liệu cần thiết trong nông nghiệp, hóa chất và sản xuất nhiên liệu.
Tiến sĩ Daiyan đã trình bày những phát hiện này tại Hội nghị về Biến đổi Khí hậu của Liên Hợp Quốc, ủng hộ đầu tư vào các giải pháp kinh tế tuần hoàn. Ông nói: “Có đủ lượng carbon dioxide xung quanh. Chúng ta chỉ cần bắt đầu suy nghĩ và đầu tư vào nền kinh tế tuần hoàn”.
Dòng thời gian và triển vọng công nghiệp
Việc mở rộng quy trình trong phòng thí nghiệm thành ứng dụng công nghiệp thường mất hơn một thập kỷ, nhưng nhóm UNSW đặt mục tiêu đẩy nhanh tiến độ này. Tiến sĩ Daiyan ước tính rằng trong vòng hai đến ba năm, dự án có thể đảm bảo một đối tác trong ngành bắt đầu-thử nghiệm quy mô thí điểm. Thành công sẽ chứng minh rằng các ngành công nghiệp-phát thải nhiều có thể tạo ra giá trị từ dòng chất thải của mình đồng thời giải quyết các mục tiêu về môi trường.
Cuối cùng, nghiên cứu này minh họa tiềm năng của hóa học tuần hoàn trong việc định hình lại sản xuất công nghiệp. Bằng cách chuyển đổi carbon và nitơ thải thành phân bón, Úc có thể tăng cường chuỗi cung ứng trong nước, giảm khí thải và đóng góp cho ngành hóa chất bền vững hơn. Như Tiến sĩ Daiyan lưu ý, "Kỹ thuật xúc tác chu đáo kết hợp với việc mô tả đặc tính theo thời gian thực-có thể biến các vấn đề về môi trường thành cơ hội".
