Các thành phố ở châu Âu thải ra lượng lớn khí nhà kính vào khí quyển. Hai dịch vụ đô thị thiết yếu – đốt rác thải và xử lý nước thải – là hai trong số những nguồn đóng góp lớn nhất vào lượng khí thải CO2 đô thị ở EU.
Các hệ thống này rất quan trọng đối với sức khỏe cộng đồng và đời sống đô thị, nhưng chúng lại tạo ra lượng khí thải khó có thể loại bỏ hoàn toàn. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu lượng CO2 đó không cần phải lãng phí?
Đối với một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế, ô nhiễm carbon đô thị mang đến một cơ hội. Cùng nhau làm việc trong sáng kiến WaterProof do EU tài trợ, họ đang phát triển một phương pháp để thu giữ CO2 từ các quá trình này và chuyển đổi nó thành axit formic: một hóa chất đơn giản, rất linh hoạt được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp.
Điều này có thể cho phép khí thải từ các lò đốt rác và nước thải được chuyển hóa thành các sản phẩm tẩy rửa dưới bồn rửa nhà chúng ta, hoặc thậm chí là da giày của chúng ta.
Biến vấn đề thành nguồn lực
Các nỗ lực giải quyết biến đổi khí hậu chủ yếu tập trung vào năng lượng tái tạo, điện khí hóa và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng. Tuy nhiên, một số nguồn phát thải vẫn rất khó loại bỏ.
“Một số loại khí thải rất khó ngăn chặn,” Annelie Jongerius, nhà điện hóa học kiêm quản lý chương trình tại công ty hóa chất Avantium của Hà Lan, đơn vị điều phối nghiên cứu, cho biết.
Một lựa chọn là thu giữ CO2 và lưu trữ dưới lòng đất. Nhưng nhóm WaterProof đang tìm kiếm một giải pháp thay thế tuần hoàn hơn: tiếp tục sử dụng carbon thay vì khóa chặt nó lại.
“Sẽ tốt hơn nếu chúng ta có thể sử dụng nó,” Jongerius nói. “Đồng thời, chúng ta cần các nguồn nguyên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch để sản xuất hóa chất.”
"
Nếu bạn lấy CO2 từ nước thải, biến nó thành một sản phẩm, rồi sử dụng sản phẩm đó để làm sạch bồn cầu, để nó quay trở lại hệ thống xử lý nước thải, bạn sẽ tạo ra một vòng tuần hoàn khép kín.
Thách thức đó đặc biệt dễ thấy tại các cơ sở như những cơ sở do công ty quản lý chất thải HVC của Hà Lan vận hành, công ty này điều hành hai nhà máy đốt rác thải lớn ở Hà Lan.
“Chúng ta phải tiếp nhận mọi loại chất thải mà xã hội tạo ra,” Jan Peter Born, quản lý đổi mới chuyển đổi chất thải thành năng lượng của HVC, cho biết. “Chúng ta không có cách nào để điều tiết lượng khí thải CO2, ngoài việc khuyến khích mọi người mua ít hơn và tái chế nhiều hơn.”
HVC hiện đã thu giữ một lượng CO2 nhất định và bán cho các hộ nông dân trồng rau trong nhà kính, những người sử dụng nó để tăng năng suất các loại cây trồng như cà chua và dưa chuột. Nhưng đây chỉ là một giải pháp chưa hoàn chỉnh.
“Hầu hết lượng CO2 được cung cấp cho cây trồng đều được thải ra ngoài qua mái nhà kính,” Born giải thích. “Từ góc độ pháp lý, đó là sự phát thải bị trì hoãn. Chính người nông dân mới là người đạt được mục tiêu giảm phát thải vì họ tránh được việc đốt khí để tạo ra CO2.”
Các nhà nghiên cứu của dự án WaterProof hướng đến mục tiêu tiến thêm một bước nữa bằng cách biến carbon đã thu giữ thành các sản phẩm hữu ích giúp giữ carbon ở ngoài khí quyển lâu hơn.
Từ CO2 đến các sản phẩm tẩy rửa
Cốt lõi của công nghệ WaterProof là một quy trình điện hóa chuyển đổi CO2 thu được thành axit formic bằng cách sử dụng điện năng tái tạo.
“Đây là một trong những phép chuyển đổi đơn giản nhất mà bạn có thể thực hiện,” Jongerius nói.
Dòng điện thúc đẩy phản ứng trong một tế bào chuyên dụng, khử CO2 thành axit formic. Vì hệ thống hoạt động bằng điện năng tái tạo và sử dụng carbon có nguồn gốc từ chất thải, nên nó giảm sự phụ thuộc vào nguyên liệu thô có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch.
Quá trình này cũng có thể mang lại những lợi ích bổ sung. Trong một tế bào điện hóa, hai phản ứng diễn ra đồng thời, mỗi phản ứng tại một điện cực. Trong khi nhóm WaterProof tập trung vào việc chuyển đổi CO2 thành axit formic, họ cũng đã nghiên cứu việc kết hợp phản ứng này với phản ứng thứ hai tạo ra hydro peroxide và các hợp chất liên quan.
Các chất này có thể giúp phân hủy các chất ô nhiễm cứng đầu trong nước thải, bao gồm cả cặn dược phẩm và thuốc trừ sâu. Tuy nhiên, giai đoạn này của quy trình vẫn đang ở giai đoạn đầu và chưa được triển khai trong hệ thống trình diễn hiện tại.
Nhóm nghiên cứu đang thử nghiệm axit formic có nguồn gốc từ CO2 của họ trong các sản phẩm tẩy rửa thân thiện với môi trường như chất tẩy rửa bồn cầu và bề mặt.
“Nó hoạt động hoàn toàn giống như axit formic được sản xuất theo phương pháp thông thường,” Jongerius nói. “Đó là cùng một phân tử.”
Ngoài việc làm sạch, dự án còn nghiên cứu việc sử dụng axit formic có nguồn gốc từ CO2 trong quá trình thuộc da. Mặc dù axit này có thể được sử dụng cho tất cả các loại da, nhóm nghiên cứu hiện đang hợp tác với công ty Nordic Fish Leather của Iceland để đưa da cá thân thiện với môi trường – một lựa chọn bền vững hơn so với da bò truyền thống – ra thị trường.
Mở rộng quy mô để tạo ra tác động thực tiễn.
Mặc dù phản ứng hóa học đầy hứa hẹn, nhưng việc mở rộng quy mô sản xuất là thách thức tiếp theo.
Dựa trên nghiên cứu trước đó được EU tài trợ, nhóm nghiên cứu hiện đang làm việc trên một mô hình thí điểm quy mô lớn, trong đó nhiều tế bào điện hóa được xếp chồng lên nhau, làm tăng thể tích CO2 có thể được xử lý. Nếu thành công, nó sẽ mở đường cho các nhà máy quy mô thương mại.
Thiết kế dạng mô-đun cho phép hệ thống được điều chỉnh phù hợp với nhiều địa điểm khác nhau, từ nhà máy xử lý nước thải đến nhà máy đốt rác. Mục tiêu là chứng minh quy trình WaterProof vào mùa hè năm 2026, cho thấy chuỗi sản xuất không sử dụng nhiên liệu hóa thạch có thể hoạt động trong điều kiện thực tế.
Những hệ thống như vậy cuối cùng có thể được tích hợp vào cơ sở hạ tầng đô thị, biến các thành phố thành trung tâm sản xuất hóa chất tuần hoàn thay vì là nguồn phát thải.
Thu hồi các vật liệu có giá trị từ chất thải
Tiềm năng của công trình nghiên cứu này không chỉ dừng lại ở việc tái sử dụng carbon. Các nhà nghiên cứu cũng đang tìm hiểu cách sử dụng axit formic để thu hồi các vật liệu có giá trị từ các dòng chất thải.
Bằng cách kết hợp nó với các hợp chất khác, họ đang phát triển các dung môi eutectic sâu – các chất lỏng có độc tính thấp, có khả năng hòa tan và liên kết với kim loại trong chất thải để có thể chiết xuất kim loại.
"
Chúng ta không có cách nào để điều tiết lượng khí thải CO2, ngoài việc khuyến khích mọi người mua sắm ít hơn và tái chế nhiều hơn.
Nhiều nguyên liệu quý giá bị lẫn vào tro lò đốt và bùn thải, bao gồm đồng, liti, coban, và thậm chí cả một lượng nhỏ vàng – tất cả đều rất quan trọng đối với các công nghệ hiện đại và quá trình chuyển đổi xanh.
HVC hiện đã sử dụng các quy trình cơ học để thu hồi kim loại, tách các hạt nặng hơn khỏi tro trong một quy trình tương tự như đãi vàng. Nhưng điều này tạo ra các dòng kim loại hỗn hợp có giá trị thấp hơn. Các dung môi mới có thể cho phép tách chính xác hơn.
“Các dung môi eutectic này có thể được điều chỉnh để nhắm mục tiêu vào các kim loại cụ thể,” Born nói. “Điều đó có nghĩa là bạn có thể thu hồi các vật liệu riêng lẻ thay vì hỗn hợp, điều này làm tăng giá trị của chúng.”
Tuy nhiên, thực tế kinh tế vẫn là một rào cản. Vàng là kim loại duy nhất được khai thác có giá cả hợp lý, Born giải thích. Đối với nhiều kim loại khác, bao gồm cả đất hiếm, giá thị trường vẫn còn quá thấp để bù đắp chi phí.
Điều này đặt ra những câu hỏi rộng hơn về chính sách và ưu tiên, đặc biệt khi nhu cầu về các vật liệu thiết yếu tiếp tục tăng: xã hội sẵn sàng trợ cấp bao nhiêu cho việc tái chế chất thải, và liệu giá trị chiến lược có nên được ưu tiên hơn các quyết định chỉ dựa trên thị trường hay không.
Kết thúc vòng lặp
Tư duy "biến chất thải thành tài nguyên" này đang ngày càng được đón nhận rộng rãi khắp châu Âu. Các quy định mới của EU dự kiến áp dụng vào năm 2026 nhằm mục đích giúp vật liệu tái chế được sử dụng rộng rãi hơn.
Nếu thành công, chúng có thể giúp biến những ý tưởng tuần hoàn như của WaterProof thành hiện thực hàng ngày, hỗ trợ tham vọng của châu Âu dẫn đầu thế giới về sản xuất tuần hoàn vào năm 2030.
Bằng cách liên kết việc thu giữ carbon, sản xuất hóa chất, xử lý nước và thu hồi vật liệu, các nhà nghiên cứu đang kết hợp nhiều yếu tố của tầm nhìn đó vào một hệ thống duy nhất.
Đối với Jongerius, khái niệm này vừa mang tính thực tiễn vừa mang tính biểu tượng.
“Nếu bạn lấy CO2 từ nước thải, biến nó thành một sản phẩm, rồi dùng sản phẩm đó để làm sạch bồn cầu, để nó quay trở lại hệ thống xử lý nước thải, bạn sẽ tạo ra một vòng tuần hoàn khép kín,” bà nói. “Đây là ví dụ điển hình nhất về nền kinh tế tuần hoàn.”
Nghiên cứu trong bài viết này được tài trợ bởi Chương trình Horizon của EU. Quan điểm của những người được phỏng vấn không nhất thiết phản ánh quan điểm của Ủy ban Châu Âu. Nếu bạn thấy bài viết này hữu ích, vui lòng chia sẻ trên mạng xã hội.
