Thay đổi quá trình sản xuất thép để giảm phát thải

Công ty con Boston Metal từ Học viện Công nghệ Massachusetts đang tiến hành thương mại hóa một phương pháp để sản xuất thép và các kim loại khác, giúp làm sạch ngành công nghiệp phát thải nặng nề này.

Cách sản xuất thép phổ biến nhất là khai thác quặng sắt rồi xử lý để loại bỏ tạp chất, sau đó cho thành phẩm thu được vào lò nung với than tới khi chảy ra, tiếp theo là cho oxy thổi qua kim loại nhằm đốt cháy hàm lượng carbon dư thừa cùng nhiều tạp chất khác. Đó là lý do vì sao ngành sản xuất thép lại chiếm khoảng 7-9% lượng khí thải nhà kính của con người trên toàn cầu, khiến nó trở thành một trong những ngày công nghiệp bẩn nhất hành tinh.
Trăn trở với tình hình này, Công ty Boston Metal đã nghiên cứu cách thức làm sao để thay đổi quá trình sản xuất. Cuối cùng, họ đã tìm ra một cách làm sạch ngành này, nhờ sử dụng quy trình điện hóa có tên điện phân oxit nóng chảy (MOE). Quy trình này sẽ giúp loại bỏ nhiều bước khi sản xuất thép và thải ra sản phẩm phụ duy nhất là khí oxy.

Những người thành lập công ty này là giáo sư danh dự MIT Donald Sadoway, giáo sư Antoine Allanore và tiến sĩ James Yurko. Họ đã sử dụng công nghệ điện phân oxit nóng chảy để thu hồi những kim loại giá trị cao từ chất thải sau quá trình khai thác mỏ tại chi nhánh của mình ở Brazil. Nhờ công việc này mà nhóm nghiên cứu của Boston Metal có thể triển khai công nghệ của họ ở quy mô thương mại, đồng thời thiết lập quan hệ đối tác thương mại quan trọng với các công ty khai thác mỏ. Họ cũng đã xây dựng một lò phản ứng điện phân oxit nóng chảy nguyên mẫu để sản xuất thép xanh tại trụ sở chính ở Woburn, Massachusetts.

Tin tưởng vào tiềm năng công nghệ của mình, Boston Metal đã kêu gọi vốn trên toàn cầu và cho tới nay, họ đã thành công huy động được hơn 370 triệu USD từ các tổ chức ở châu Âu, châu Á, châu Mỹ và Trung Đông. Công ty này kỳ vọng sẽ mở rộng quy mô nhanh chóng, nhằm chuyển đổi hoạt động sản xuất thép ở mọi nơi trên thế giới.

Guillaume Lambotte, Giám đốc khoa học của Boston Metal và cựu tiến sĩ MIT, cho biết: “Toàn thế giới đều thừa nhận rằng chúng ta cần nhanh chóng hành động, và điều đó sẽ xảy ra thông qua các giải pháp công nghệ như thế này – những cái sẽ giúp chúng ta thoát khỏi công nghệ truyền thống. Biến đổi khí hậu ngày càng tác động mạnh lên cuộc sống của chúng ta, nên ai cũng chịu áp lực phải hành động thật nhanh”.

Cuộc tìm kiếm kéo dài hàng chục năm

Kể từ những năm 1980, Sadoway đã tiến hành nghiên cứu về quy trình điện hóa để sản xuất nhôm. Trọng tâm của nghiên cứu này là tìm ra chất thay thế cho cực dương tiêu hao trong quá trình sản xuất, bởi nó tạo ra sản phẩm phụ là khí carbonic. Trong khi nghiên cứu, ông bắt đầu hình thành khái niệm về một quy trình điện hóa tương tự để tạo ra sắt, tiền thân của thép.

Nhưng phải tới khoảng năm 2021 thì Sadoway và Allanore, khi đó là nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ tại MIT, mới phát hiện ra một hợp kim sắt-crom có thể làm vật liệu cực dương đủ rẻ để khiến quá trình này khả thi về mặt thương mại, đồng thời tạo ra sản phẩm phụ là oxy. Đó là khi cặp đôi này hợp tác với cựu sinh viên James Yurko và thành lập Công ty Boston Metal.

“Tất cả các nghiên cứu cơ bản và công nghệ ban đầu đều đến từ MIT,” Lambotte nói. “Chúng tôi thành lập công ty từ nghiên cứu đã được cấp bằng sáng chế tại MIT và lấy được giấy phép từ Văn phòng Cấp phép Công nghệ của MIT.”

Lambotte gia nhập công ty không lâu sau khi nhóm của Sadoway đăng bài báo mô tả nền tảng của công nghệ điện phân oxit nóng chảy trên tạp chí Nature năm 2013.

“Đó là khi công nghệ này đi từ phòng thí nghiệm, với một thử nghiệm nhỏ cỡ cốc cafe để chứng minh các nguyên tắc cơ bản và tạo ra một vài gram thép, cho tới một công ty có thể sản xuất hàng trăm cân, và không lâu nữa là hàng tấn thép”, Lambotte hào hứng chia sẻ.

Quá trình điện phân oxit nóng chảy của Boston Metal diễn ra trong các bể MOE mô-đun, mỗi bể có kích cỡ bằng một chiếc xe buýt trường học. Họ sẽ đưa đá quặng sắt vào khoang này, trong đó cực âm và cực dương được ngâm trong chất điện phân lỏng. Cực dương có tính trơ, tức là nó sẽ không hòa tan trong chất điện phân hoặc tham gia vào phản ứng nào ngoài vai trò là cực dương. Khi dòng điện chạy giữa cực dương và cực âm và tế bào đạt nhiệt độ khoảng 1.600^oC, các liên kết sắt oxit trong quặng bị tách ra, tạo ra kim loại lỏng tinh khiết phía dưới mà ta có thể khai thác được. Sản phẩm phụ của phản ứng này là oxy, quá trình này không cần nước, hóa chất độc hại hoặc chất xúc tác là kim loại quý.

Việc sản xuất của bể điện phân phụ thuộc vào mức độ dòng điện. Lambotte cho biết với khoảng 600.000 ampe, mỗi bể có thể sản xuất tới 10 tấn kim loại trong một ngày. Các nhà sản xuất có thể áp dụng công nghệ của Boston Metal và triển khai số bể điện phân cần thiết để đạt được mục tiêu sản xuất của mình.

Công ty này đã và đang sử dụng phương pháp điện phân oxit nóng chảy để giúp các công ty khai thác mỏ thu lại được kim loại có giá trị cao từ chất thải khai thác mỏ, mà nếu như bình thường thì phải tiêu tốn nhiều tiền cho quá trình xử lý hoặc lưu kho. Phương pháp này cũng có thể dùng để sản xuất nhiều kim loại khác, gần đây Boston Metal đã được chọn để đàm phán khoản tiền tài trợ với mục đích sản xuất kim loại crom ở Tây Virginia. Crom là vật liệu quan trọng trong nhiều ứng dụng năng lượng sạch.

Tiềm năng khổng lồ

Hiện nay, Công ty Boston Metal dự kiến sẽ thương mại hóa được công nghệ khử carbon trong thép vào năm 2026, mặc dù nhà máy của họ ở Brazil đã cho ra mắt phương pháp này với ngành công nghiệp.

Bên cạnh việc tìm kiếm cơ hội ứng dụng công nghệ cho ngành sản xuất kim loại, các thành viên của Boston Metal tập trung trước hết vào việc loại bỏ hàng tỷ khí thải từ quá trình sản xuất thép. Họ sử dụng điện sạch cho việc này: thép sản xuất tại nhà máy của họ tại Brazil hoàn toàn xanh nhờ hoạt động bằng năng lượng tái tạo.

Lambotte nói: “Hiện nay, các công ty đều cam kết giảm lượng khí thải carbon, giảm phát thải và đặt ra các mục tiêu không thải khí nhà kính, vì thế ngành này đang thực sự tìm kiếm giải pháp công nghệ khả thi. Mọi người đã sẵn sàng cho những phương pháp làm việc mới”.

Ngọc Đỗ