Thu giữ không khí được xem là một trong “bảy quá trình phân tách hoá học làm thay đổi thế giới”. Đó là bởi mặc dù khí cacbonic (CO2) là nhân tố gây biến đổi khí hậu (con người mỗi năm xả vào khí quyển khoảng 40 tỷ tấn cacbonic), tách nó ra khỏi không khí lại là một thử thách vô cùng lớn bởi nồng độ cacbonic trong không khí quá thấp (khoảng 0,04%).

Ảnh: pixabay

Giáo sư Ian Metcalfe, Chủ tịch Học viện Kỹ thuật Hoàng gia thuộc lĩnh vực Công nghệ mới nổi từ Khoa Kỹ thuật, Đại học Newcastle, Anh, đồng thời là nhà nghiên cứu chính, phát biểu: “Tiến trình phân tách hỗn hợp khí loãng vô cùng khó thực hiện vì hai lý do chính yếu sau. Đầu tiên, vì nồng độ rất loãng, động năng (tức tốc độ) phản ứng hoá học nhằm loại bỏ khí có nồng độ thấp diễn ra rất chậm. Thứ hai, phải dùng năng lượng vô cùng lớn mới cô đọng được phần khí nồng độ thấp.”

Đó là hai thách thức mà nhóm khoa học Newcastle (hợp tác với Đại học Victoria tại Wellington, New Zealand, Imperial College London tại Anh, Đại học Strathclyde tại Anh và University College London tại Anh phải đối mặt khi tạo ra loại màng hút mới. Với ý tưởng lấy mức chênh lệch độ ẩm làm động lực đẩy cacbonic ra khỏi không khí, nhóm đã trả lời được câu hỏi về nguồn năng lượng. Nước góp phần đẩy cacbonic qua màng hút, giải quyết được vấn đề động năng trong phản ứng.

Kết quả nghiên cứu được công bố trong Tạp chí Nature Energy. Tiến sĩ Greg A. Mutch, Nghiên cứu sinh Học viện Kỹ thuật Hoàng gia từ Khoa Kỹ thuật, Đại học Newcastle, giải thích: “Thu giữ không khí trực tiếp sẽ đóng vai trò trọng yếu trong hệ thống năng lượng tương lai. Chúng ta cần công nghệ này để thu giữ khí thải từ xe cộ - nguồn phát thải cacbonic phân tán không dễ bị khử cacbon theo các phương thức khác.”

Ông bổ sung: “Trong công trình vừa qua, chúng tôi mô tả loại màng hút tổng hợp có khả năng thu giữ cacbonic từ không khí và gia tăng nồng độ của nó mà không cần các nguồn năng lượng truyền thống như áp lực hay nhiệt. Tôi cho rằng cơ chế màng hút này giống máy xay lúa chạy bằng bánh xe nước vậy. Nếu bánh xe nước chuyển lực nước chảy thành lực xay xát lúa gạo thì với màng hút này, lực nước giúp đẩy cacbonic ra khỏi không khí quanh ta.”

Màng hút lợi dụng độ ẩm

Tiến sĩ Evangelos Papaioannou, Giảng viên Cấp cao tại Khoa Kỹ thuật, Đại học Newcastle, trình bày: “Như đã mô tả trong bài nghiên cứu, nhóm đã thử nghiệm màng hút thẩm thấu cacbonic hoạt động theo nguyên lý chênh lệch độ ẩm, vốn có cơ chế rất khác các màng hút điển hình. Nếu độ ẩm ở một bên màng cao hơn, khí cacbonic lập tức được đẩy xuyên màng qua bên đó.”

Phối hợp với cộng sự tại University College London và Đại học Oxford, nhóm nghiên cứu tiến hành chụp cắt lớp X quang bằng vi tính và tạo dựng chính xác cấu trúc màng hút, lấy đó làm cơ sở so sánh hiệu suất với các loại màng tiên tiến khác.

Điểm mấu chốt của công trình là tạo lập được mô hình hoạt động của màng hút ở cấp độ nguyên tử. Phối hợp với cộng sự tại Đại học Victoria và Imperial College London, nhóm nghiên cứu vận dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ để xác định “chất vận chuyển” của màng.

Chất vật chuyển này có nhiệm vụ chỉ chuyển dời cacbonic và nước mà không mang theo bất kỳ chất hoá học nào khác. Cần có nước, cacbonic mới đẩy được qua màng, và cần có cacbonic thì nước mới đẩy được qua màng. Vì vậy mà chênh lệch độ ẩm có thể thúc đẩy màng “hút trọn” cacbonic từ nơi có nồng độ thấp chuyển sang nơi có nồng độ cao hơn.

Giáo sư Metcalfe bổ sung: “Đây là thành quả của nhóm sau nhiều năm miệt mài nghiên cứu. Chúng tôi rất cảm kích khi được các cộng sự giúp đỡ cũng như được Học viện Kỹ thuật Hoàng gia và Hội đồng Nghiên cứu Kỹ thuật và Khoa học Vật lý hỗ trợ.”

Huỳnh Trọng Nhân
(Lược dịch)