Các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Rockies (NLR) và Đại học North Carolina State (NCSU) vừa công bố bước đột phá trong sản xuất than chì (graphite). Quy trình mới này có thể sản xuất than chì sử dụng cho pin từ sinh khối, bằng cách sử dụng thiết bị lọc dầu hiện có, mở ra hướng cung ứng rẻ hơn.

Nhóm nghiên cứu tìm ra cách biến sinh khối, như chất thải lâm nghiệp, nông nghiệp, thành than chì chất lượng cao, loại vật liệu để sản xuất pin, thép và sử dụng trong các ngành công nghiệp tiên tiến. Khám phá này có thể giúp Hoa Kỳ giảm phụ thuộc vào than chì nhập khẩu và thúc đẩy sản xuất trong nước.

Theo truyền thống, than chì được khai thác hoặc sản xuất từ ​​dầu mỏ và đòi hỏi nhiệt độ cực cao. Phương pháp mới sử dụng thiết bị lọc dầu thông thường để xử lý sinh khối thành “than chì sinh học”, gần giống hệt than chì nhập khẩu. Quy trình này vẫn tạo ra nhiên liệu, biến nó thành một hệ thống đa năng.

Điểm mới trong nghiên cứu này là nhóm nghiên cứu cho thấy hai cách khả thi để sản xuất than chì và nhiên liệu trong cùng một quy trình. Một cách cho phép biến vật liệu phế thải thành than chì sử dụng cho pin, cách còn lại giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng và chi phí trong quá trình sản xuất than chì sinh học.

Cách thứ nhất dựa trên cùng loại máy móc mà các nhà máy lọc dầu đã và đang sử dụng. Thông thường, các nhà máy lọc dầu sẽ làm nóng nhựa đường còn sót lại đến 500°C trong các lò cốc chậm, sau đó nung các sản phẩm phụ ở 1.000°C, trước khi đến giai đoạn cuối cùng sản xuất than chì ở 3.000°C.

Nhóm nghiên cứu của NLR đã điều chỉnh quy trình này cho sinh khối. Đầu tiên, họ áp dụng phương pháp nhiệt phân nhanh để làm nóng vật liệu hữu cơ trong lò phản ứng không có oxy, tạo ra dầu sinh học. Loại dầu này có thể được nâng cấp thành nhiên liệu hoặc chuyển đổi thành than chì sinh học bằng cách sử dụng thiết bị lọc dầu hiện có.

Cách tiếp cận này cho phép các nhà sản xuất tạo ra than chì sản xuất ngay tại Hoa Kỳ mà không cần thay đổi lớn đối với quy trình hiện tại của họ. Than chì sinh học có thể sử dụng trực tiếp trong pin hoặc pha trộn với các dòng sản phẩm dầu mỏ, để đáp ứng nhu cầu sử dụng trong nước.

Cách thứ hai, được NLR và NCSU khám phá, làm giảm nhiệt độ cần thiết để sản xuất khoáng chất này. Thay vì nung nóng đến 3.000°C, nhóm nghiên cứu sử dụng sắt làm chất xúc tác để chuyển đổi than cốc sinh học giàu carbon thành than chì ở nhiệt độ từ 1.000°C đến 1.500°C.

Việc giảm nhiệt độ giúp giảm đáng kể lượng năng lượng tiêu thụ và chi phí sản xuất. Nó cũng cho phép xây dựng lò nung từ các vật liệu rẻ hơn. Mặc dù chất xúc tác sắt phải được loại bỏ sau quá trình xử lý, nhưng cách này tạo ra nhiều than chì hơn và khả thi về mặt kinh tế, theo phân tích kinh tế kỹ thuật được công bố trên tạp chí Bioresource Technology.

Để mở rộng quy mô, NLR đang xây dựng thí điểm một hệ thống luyện cốc chậm để chuyển đổi một lượng lớn dầu nhiệt phân thành than chì và nhiên liệu máy bay phản lực. Than chì thu được sẽ thử nghiệm trong các loại pin lithium-ion cỡ lớn để lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí ChemSusChem.