Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp phát thải thấp để thu hoạch hydro và graphene từ nhựa phế thải. Họ cho biết nó không chỉ giải quyết các vấn đề môi trường như ô nhiễm nhựa và sản xuất khí nhà kính mà giá trị của sản phẩm phụ graphene có thể bù đắp chi phí sản xuất hydro.
Hydro được sử dụng để cung cấp năng lượng cho xe cộ, tạo ra điện và sưởi ấm nhà cửa và doanh nghiệp của chúng ta. Hydro chứa nhiều năng lượng trên một đơn vị trọng lượng hơn so với nhiên liệu hóa thạch, điều này quan trọng từ quan điểm môi trường vì nguyên nhân chính gây ra phát thải khí nhà kính toàn cầu là sự giải phóng carbon dioxide từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch.
Hơn 95% hydro được tổng hợp thông qua quá trình cải tạo hơi nước-mêtan, tạo ra 11 tấn (12 tấn) carbon dioxide cho mỗi tấn hydro, phần lớn trong số đó là hydro xám . Để so sánh, “hydro xanh” được sản xuất bằng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, gió hoặc thủy điện để tách nước thành các thành phần cấu thành, rất đắt, có giá khoảng 5 USD cho chỉ hơn 2 pound (khoảng một kg).
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Rice hiện đã phát triển một phương pháp thu hoạch hydro và graphene có giá trị từ nhựa thải bằng phương pháp ít phát thải, không có chất xúc tác và có khả năng tự chi trả.
Kevin Wyss, tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã chuyển đổi nhựa thải – bao gồm cả nhựa thải hỗn hợp không cần phải phân loại hoặc rửa sạch – thành khí hydro hiệu suất cao và graphene có giá trị cao”. “Nếu graphene sản xuất được bán với giá chỉ bằng 5% giá trị thị trường hiện tại – giảm giá 95%! – hydro sạch có thể được sản xuất miễn phí.”
Trong quá trình cải tạo hơi nước-mêtan, hơi nước ở nhiệt độ cao (1.292 °F đến 1.832 °F/700 °C đến 1.000 °C) được sử dụng để sản xuất hydro từ nguồn khí mêtan như khí tự nhiên. Khí mê-tan phản ứng với hơi nước với sự có mặt của chất xúc tác để tạo ra hydro, carbon monoxide và carbon dioxide.
James Tour, một trong những tác giả tương ứng của nghiên cứu, cho biết: “Dạng hydro chính được sử dụng ngày nay là hydro ‘xám’, được sản xuất thông qua quá trình cải tạo hơi nước-methane, một phương pháp tạo ra nhiều carbon dioxide. “Nhu cầu về hydro có thể sẽ tăng vọt trong vài thập kỷ tới, vì vậy chúng ta không thể tiếp tục sản xuất theo cách mà chúng ta đã làm cho đến nay nếu chúng ta nghiêm túc về việc đạt được mức phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050.”
Chất thải nhựa tồn tại trong môi trường từ lâu đời, đe dọa động vật hoang dã và lây lan chất độc cho động vật và con người. Trong nghiên cứu hiện tại, các nhà nghiên cứu đã cho chất thải nhựa tiếp xúc với nhiệt lượng Joule chớp nhoáng trong khoảng bốn giây. Tăng nhiệt độ lên tới 3.100 kelvin sẽ làm bay hơi hydro có trong nhựa, để lại graphene, một vật liệu nhẹ, bền bao gồm một lớp nguyên tử carbon. Graphene được sử dụng trong điện tử, lưu trữ năng lượng, cảm biến, chất phủ, vật liệu tổng hợp và thiết bị y sinh, chỉ kể tên một số ứng dụng của nó.
Hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của các tấm graphene flash kích thước nano được hình thành từ nhựa phế thải
Wyss cho biết: “Khi chúng tôi lần đầu tiên phát hiện ra phương pháp gia nhiệt Joule flash và áp dụng nó để tái chế nhựa thải thành graphene, chúng tôi đã quan sát thấy rất nhiều khí dễ bay hơi được tạo ra và bắn ra khỏi lò phản ứng”. “Chúng tôi tự hỏi chúng là gì, nghi ngờ là hỗn hợp của các hydrocacbon nhỏ và hydro, nhưng lại thiếu thiết bị để nghiên cứu thành phần chính xác của chúng”.
Sau khi có được thiết bị cần thiết để phân tích chất bốc hơi nhờ sự tài trợ của Công binh Quân đội Hoa Kỳ, các nhà nghiên cứu nhận thấy những nghi ngờ của họ là đúng: quá trình này tạo ra khí hydro.
Wyss cho biết: “Ví dụ, chúng tôi biết rằng polyetylen được tạo thành từ 86% carbon và 14% hydro và chúng tôi đã chứng minh rằng chúng tôi có thể thu hồi tới 68% lượng hydro nguyên tử đó dưới dạng khí với độ tinh khiết 94%. “Phát triển các phương pháp và kiến thức chuyên môn để mô tả và định lượng tất cả các loại khí, bao gồm cả hydro, được tạo ra bằng phương pháp này là một quá trình khó khăn nhưng bổ ích đối với tôi.”
Các nhà nghiên cứu cho biết dựa trên đánh giá vòng đời, phương pháp của họ tạo ra ít khí thải hơn các phương pháp sản xuất hydro khác. Đánh giá vòng đời là một kỹ thuật được sử dụng để phân tích các tác động môi trường một cách tổng thể và nhu cầu tài nguyên liên quan đến các phương pháp sản xuất.
“Quy trình H 2 nhanh chóng mang lại những cải thiện về cả nhu cầu năng lượng tích lũy (ít hơn 33-95% năng lượng) và lượng phát thải khí nhà kính (lượng khí thải ít hơn 65-89%) khi so sánh với các phương pháp phân hủy nhựa thải hoặc sinh khối khác để sản xuất H 2,” cho biết . các nhà nghiên cứu.
Các nhà nghiên cứu cho biết lợi ích của quy trình gia nhiệt Joule chớp nhoáng là nhựa phế thải không cần phải rửa hoặc tách và có thể được tận dụng để sản xuất hydro sạch với chi phí âm từ vật liệu phế thải.
Họ có kế hoạch nâng cao hiểu biết về cơ chế gia nhiệt Joule chớp nhoáng để cải thiện khả năng mở rộng và tối ưu hóa việc sản xuất hydro.
Wyss cho biết: “Tôi hy vọng rằng công việc này sẽ cho phép sản xuất hydro sạch từ nhựa thải, có thể giải quyết các vấn đề môi trường lớn như ô nhiễm nhựa và sản xuất hydro sử dụng nhiều khí nhà kính bằng cách cải tạo hơi nước-mêtan”.