Các nhà khoa học tại Thụy Sĩ vừa phát triển thành công một loại vật liệu thu giữ carbon dioxide (CO₂) từ không khí bằng cách tận dụng chất thải thực phẩm phát sinh trong quá trình sản xuất phô mai và đậu phụ.

Nghiên cứu do nhóm chuyên gia tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ Zurich (ETH Zurich) thực hiện và được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Theo kết quả công bố, vật liệu mới có khả năng thu giữ CO₂ cao hơn từ 10% đến 50% so với nhiều công nghệ thu giữ carbon trực tiếp từ không khí (Direct Air Capture - DAC) đang được sử dụng hiện nay.

Phương pháp thu giữ carbon trực tiếp từ không khí (DAC): Chất thải thực phẩm từ quá trình sản xuất phô mai và đậu phụ được xử lý thành các hạt protein có khả năng hấp thụ carbon dioxide.

Từ phụ phẩm thực phẩm đến “miếng bọt” hút CO₂

Là loại khí nhà kính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu, việc loại bỏ trực tiếp CO₂ khỏi khí quyển được xem là một trong những giải pháp hiệu quả nhất. Tuy nhiên, các công nghệ DAC hiện tại thường đòi hỏi lượng năng lượng lớn khiến chi phí vận hành cao và khó triển khai trên quy mô rộng.

Nhằm khắc phục hạn chế này, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Raffaele Mezzenga thuộc khoa Khoa học Vật liệu của ETH Zurich dẫn đầu đã tận dụng nước váng sữa, phụ phẩm từ quá trình sản xuất phô mai, cùng bã đậu, phần còn lại sau khi làm đậu phụ, để tạo ra vật liệu hấp phụ carbon mới.

Các nhà khoa học đã tách chiết protein từ phụ phẩm này, sau đó biến chúng thành những sợi amyloid có cấu trúc dài giống sợi chỉ. Khi kết hợp với kali hydroxit (KOH), các sợi protein liên kết tạo thành những hạt vật liệu có đường kính khoảng 0,5–1 cm.

Trong các thử nghiệm, mỗi gam vật liệu có thể hấp thụ khoảng 0,097 gam CO₂ từ không khí. Điều này đồng nghĩa với việc 1 kg vật liệu có khả năng loại bỏ gần 100 gam CO₂. Theo nhóm nghiên cứu, hiệu suất này vượt trội hơn đáng kể so với nhiều hệ thống DAC hiện nay.

Kali hydroxit đóng vai trò là tác nhân hấp thụ CO₂. Khi tiếp xúc với khí carbon dioxide, chất này nhanh chóng phản ứng tạo thành muối cacbonat và nước. Trong khi đó, mạng lưới protein hoạt động như một khung đỡ giúp cố định kali hydroxit, ngăn hiện tượng vón cục hoặc chảy tràn, đồng thời tạo diện tích tiếp xúc lớn với không khí.

“Những hạt protein này hoạt động giống như một miếng bọt biển, cho phép hấp thụ lượng lớn CO₂ thông qua kali hydroxit”, Giáo sư Mezzenga cho biết.

Các hạt protein chứa kali hydroxit, có độ xốp cao và hoạt động như những miếng bọt biển hấp thụ khí carbon dioxide.

Vật liệu dễ dàng giải phóng CO₂ và tái chế

Một trong những điểm nổi bật của công nghệ mới là khả năng giải phóng lượng CO₂ đã hấp thụ mà không cần sử dụng nhiệt độ cao hoặc môi trường áp suất thấp như các hệ thống DAC truyền thống.

Theo nhóm nghiên cứu, chỉ cần phun luân phiên một loại axit yếu và bazơ yếu lên các hạt protein trong khoảng 10 phút ở nhiệt độ phòng, các liên kết hóa học sẽ bị phá vỡ, giúp CO₂ được tách ra để lưu trữ hoặc tái sử dụng.

Đáng chú ý, cả axit, bazơ lẫn các hạt protein đều có thể tái sử dụng nhiều lần. Trong các thử nghiệm tại phòng thí nghiệm, vật liệu vẫn duy trì hiệu suất ổn định sau 30 chu kỳ hấp thụ và giải phóng CO₂ liên tiếp.

Theo ông Zhou Dong, tác giả chính của nghiên cứu, các vật liệu tổng hợp đang được sử dụng trong nhiều hệ thống thu giữ carbon hiện nay thường suy giảm chất lượng khá nhanh, trong khi vật liệu protein mới vẫn giữ được độ ổn định trong thời gian dài.

Theo các nhà khoa học, dù vật liệu cuối cùng vẫn cần được thay thế sau hàng nghìn lần sử dụng, quá trình xử lý sau đó cũng thân thiện với môi trường hơn nhiều so với các vật liệu tổng hợp.

Do được cấu tạo chủ yếu từ protein có nguồn gốc thực phẩm, các hạt này có thể được tái chế thành phân bón nông nghiệp hoặc chuyển hóa thành nhiên liệu sinh học. Đặc tính không độc hại của vật liệu cũng giúp giảm nguy cơ gây ô nhiễm môi trường.

Hiện nhóm nghiên cứu đang tiếp tục mở rộng quy mô thử nghiệm nhằm hướng tới thương mại hóa công nghệ. Trong các thí nghiệm ban đầu, chỉ với vài gam vật liệu, họ đã có thể thu giữ tới 50 gam CO₂.

Dù chưa công bố chính xác chi phí thu giữ cho mỗi tấn carbon dioxide, các nhà khoa học kỳ vọng công nghệ dựa trên phụ phẩm thực phẩm này sẽ có giá thành thấp hơn đáng kể so với các giải pháp DAC hiện có, đồng thời góp phần giải quyết đồng thời hai thách thức lớn là xử lý rác thải thực phẩm và giảm phát thải khí nhà kính.