Quy trình xanh sản xuất amoniac từ chất thải

Urê là xương sống của thế giới hiện đại, hỗ trợ một nửa nguồn cung cấp lương thực toàn cầu dưới dạng làm giàu nitơ, cho phép dân số phát triển. Sản xuất urê tiêu thụ một nửa sản lượng amoniac toàn cầu, một nguồn lực kinh tế trị giá hàng chục tỷ đô la mỗi năm.

Nhưng hoạt động sản xuất urê phụ thuộc vào phản ứng về cơ bản là lãng phí - quy trình Haber-Bosch, được sử dụng sản xuất nguyên liệu là amoniac. Phản ứng sản xuất 1 tấn amoniac tạo ra 2 tấn carbon dioxide, tiêu thụ đến 9 kWh điện cho mỗi kg amoniac thành phẩm. Thực tế này đòi hỏi phải có một quy trình xanh hơn và tiết kiệm năng lượng hóa thạch, giảm tác động môi trường.

Quy trình Haber-Bosch, sản xuất Amoniac và Urea.

Một trong những công nghệ mới là tổng hợp amoniac và urê bền vững, sử dụng chất thải thực phẩm và chất thài từ người làm nguyên liệu.

Các nhà khoa học thuộc Đại học Sheffield và Công ty EarthShift Global LLC (Anh)trong một nghiên cứu được mô hình hóa đã so sánh mức độ sử dụng năng lượng, phát thải khí nhà kính và tác động môi trường của quy trình sử dụng công nghệ xanh tổng hợp amoniac và urê từ chất thải so với những quy trình sản xuất hiện tại và so sánh hiệu quả tương ứng.

Quy trình được mô hình hóa bao gồm lò phản ứng sinh học lên men tối (DFB), lò phản ứng sinh học phân hủy kỵ khí (ADB), tế bào điện phân nhiên liệu oxit rắn amoniac trạng thái rắn (SOFEC), chỉ số lọc màng vi mô (MFI), tách màng điện hóa (EMS), tế bào điện phân nhiên liệu oxit rắn hỗ trợ CH 4 ( SOFEC), tổng hợp amoniac ở trạng thái rắn (SSAS), Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) và cơ sở sản xuất urea.

Trong các quy trình được thiết kế và mô hình hóa, chất thải (chất thải thực phẩm và chất thải từ người) được đưa vào lò phản ứng sinh học 2 giai đoạn, tạo ra khí sinh học. Hydro (H2) được tách khỏi hỗn hợp khí nhờ màng lọc màng và phản ứng với nitơ (N2) tạo ra NH3. CO2 thu hồi cùng với NH3 được sử dụng để sản xuất urea.  CO2 dư thừa cũng được thu giữ, nén, hóa lỏng thành sản phẩm hoặc được bơm vào lòng đất.

Sơ đồ quy trình của một quy trình sản xuất Amoniac và Urea bền vững sử dụng chất thải thực phẩm và nước nâu làm nguyên liệu thô.

Các nhà khoa học nhận thấy, hệ thống xử lý chất thải 2 giai đoạn, sử dụng quy trình lên men tối kết hợp với phân hủy kỵ khí và nguồn hydro từ điện phân nước, tạo ra amoniac với tiêu hao năng lượng thấp nhất, hiệu quả hơn gần 70% so với phương pháp điện phân nước truyền thống của Haber-Bosch, hiệu quả gần 37% so với quá trình chuyển hóa khí mêtan bằng hơi nước của Haber-Bosch.

Chuyển đổi sinh học của các chất thải thành các hợp chất hóa học quan trọng như NH3 và urê (CH4N2O) còn có lợi ích cụ thể là giảm khí mêtan CH4, thoát ra từ quá trình phân hủy không kiểm soát của chất thải.

Sự dư thừa của các dòng chất thải cũng gây ra các mối đe dọa đáng kể cho việc kiểm soát phát thải nhà kính). Sự phân hủy không kiểm soát của chất thải hữu cơ trong các bãi chôn lấp dẫn đến việc thải khí mêtan (CH4), một khí nhà kính mạnh giữ nhiệt gấp khoảng 85 lần so với CO2 trong 20 năm liên tiếp từ khi được thải ra. 

Rác thải sẽ thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng những nhà máy lọc amoniac và urê sử dụng năng lượng mặt trời, tạo nền tảng căn bản cho một hệ thống sản xuất phân bón xanh, bền vững và trở thành nhân tố quan trọng trong tiến trình giảm khí thải nhà kính.