Chìa khóa cho sự phát triển hiệu quả và bền vững: Công nghệ xúc tác và hấp phụ

GS.TSKH Mai Tuyên

(Chủ tịch Hội Khoa học Công nghệ Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam)

Từ đòi hỏi của công nghệ

Khoa học, công nghệ xúc tác và hấp phụ có vai trò cực kỳ quan trọng đối với sự phát triển công nghiệp và bảo vệ môi trường. Hiện nay, xúc tác là yếu tố then chốt có tính chất quyết định đối với 90% các quá trình sản xuất nhiên liệu, vật liệu, hóa chất công nghiệp và hóa chất dân dụng.

Từ đầu thập niên 90, trên thế giới đã xuất hiện xu hướng hóa học xanh (Green chemistry), con đường phát triển tất yếu của thế giới, trong đó, sử dụng xúc tác là một trong 12 nguyên tắc chủ yếu bảo đảm sự phát triển hiệu quả và bền vững. Từ đó, cũng đã xác định rằng xúc tác là chìa khóa để giảm thiểu phế thải, tức là tăng hiệu quả sử dụng nguyên liệu và là công cụ quan trọng nhất của hóa học xanh. Xúc tác tham gia vào hầu hết các phản ứng trong công nghiệp dầu khí để sản xuất nhiên liệu chất lượng cao và nguyên liệu cho sản xuất hóa chất và vật liệu hóa chất.

Năng lượng là vấn đề quan trọng hàng đầu để phát triển đất nước. Hiện nay, ở nước ta, Nhà máy Lọc dầu Dung Quất đã đi vào hoạt động và cung cấp các sản phẩm nhiên liệu từ dầu mỏ cho thị trường. Trong những năm tiếp theo, có thể có các nhà máy lọc hóa dầu khác ra đời, như Nhà máy Lọc hóa dầu Nghi Sơn, Nhà máy Lọc hóa dầu Long Sơn. Tổng công suất lọc dầu của nước ta có thể đạt tới 30 triệu tấn dầu thô mỗi năm.

Trong sản xuất của các nhà máy này, hai loại xúc tác quan trọng nhất là xúc tác cracking FCC và xúc tác reforming. Những loại xúc tác này vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện hoạt độ và độ lựa chọn để thích hợp với nguyên liệu. Đặc biệt, chất xúc tác FCC có nhu cầu lớn để chuyển hóa các sản phẩm chưng cất chân không. Nó cũng là cơ sở để sản xuất các olefin nhẹ từ C2 đến C5, trong đó có propylen. Xúc tác đóng vai trò quan trọng trong việc hoàn thiện chất lượng các sản phẩm lỏng của quá trình FCC. Đặc biệt, cần phát triển các hệ xúc tác hoạt động và lựa chọn cao ở áp suất thấp hơn để nâng cao chất lượng nhiên liệu. Trong việc loại bỏ các vết lưu huỳnh và nitơ cần chú ý các xúc tác và hấp phụ cho các quá trình hydrodesunfua hóa và hydro khử nitơ.

Ngoài ra, cũng cần hoàn thiện các chất xúc tác cho những quá trình khác, như đồng phân hóa parafin nhẹ, kể cả parafin C7, alkyl hóa isobutan bằng buten và penten, oligome hóa các olefin nhẹ. Đó là các quá trình làm tăng sản lượng và chất lượng của nhiên liệu...

Đến các nguồn nhiên liệu

Nhu cầu về nhiên liệu của nước ta ngày càng tăng, nguồn tài nguyên của nước ta không dồi dào. Dầu mỏ rồi chúng ta sẽ phải nhập từ Trung Đông và Nam Mỹ với giá dầu hiện nay là rất cao. Đó là những loại dầu mỏ khác với dầu mỏ Bạch Hổ, có nhiều tạp chất. Chắc chắn cần nghiên cứu hoàn thiện các chất xúc tác và hấp phụ để tăng hiệu quả sản xuất.

Về than đá, đã có dự báo là vào những năm tới, nước ta phải nhập than từ nước ngoài để đáp ứng nhu cầu trong nước. Do vậy, các nội dung khoa học theo hướng chuyển hóa khí metan thành nhiên liệu phải được đặt ra. Nhưng rồi cả khí thiên nhiên cũng có hạn. Chúng ta phải nghĩ đến những dạng nhiên liệu khác, như biodiesel, etanol sinh học, metanol và dimetyl ete từ biomass, hyđro từ biomass và nhất là từ nước...

Những vấn đề này đòi hỏi những chất xúc tác và chất hấp phụ thích hợp có hoạt độ, độ lựa chọn và độ bền thích hợp và ngày càng được hoàn thiện đáp ứng nhu cầu phản ứng, tách tinh chế, làm khan...

Tăng nhu cầu nhiên liệu diesel đòi hỏi chất xúc tác cho quá trình chuyển đổi este hóa (transesterification), để chuyển hóa dầu thực vật và mỡ động vật thành biodiesel, cho sản xuất DME, được tổng hợp từ metanol hay trực tiếp từ khí tổng hợp (syngas).

Đối với khí thiên nhiên: trước mắt, có thể từ đó sản xuất metanol và DME, tổng hợp nhiên liệu qua quá trình Fischer-Tropsch và sản xuất hydro. Sản xuất khí tổng hợp còn là quá trình chủ yếu trong thời gian dài. Rõ ràng đó là lĩnh vực đòi hỏi nhiều công sức nghiên cứu và phát triển xúc tác.

Đối với than đá: trong than đá có chứa nhiều lưu huỳnh, nitơ và kim loại nặng, đòi hỏi phải tinh chế với nhiều công sức và trình độ công nghệ cao. Mặt khác, khi đốt cháy than sẽ sinh ra lượng lớn CO₂. Hai con đường chuyển hóa than đá thành nhiên liệu là khí hóa và hóa lỏng. Hóa lỏng là quá trình kinh tế hơn để sản xuất nhiên liệu động cơ lỏng giàu chất thơm. Khí hóa là con đường duy nhất để sản xuất hydrocacbon dạng khí cho công nghiệp hóa dầu hay hydrocacbon lỏng cho nhiên liệu động cơ sạch có hàm lượng chất thơm thấp. Khí hóa được thực hiện ở 1.300-1.400^oC. Đây là quá trình đắt, nhưng lại là quá trình được khống chế hiệu quả việc phát thải ô nhiễm môi trường. Khí tổng hợp (syngas) thu được sau quá trình chuyển hóa khí - nước và khử  lưu huỳnh được dùng trong sản xuất hàng loạt sản phẩm, kể cả nhiên liệu động cơ tương tự như được sản xuất từ dầu mỏ nhờ phương pháp Fischer-Tropsch hay qua tổng hợp metanol.

Nhu cầu hydro tăng lên cho lọc dầu và sau đó làm nhiên liệu. Sản xuất hydro trở thành yêu cầu công nghiệp chủ yếu và đó là khuynh hướng nổi bật. Ngày nay, hydro được dùng trong công nghiệp dầu mỏ và công nghiệp hóa học. Sản xuất hàng năm của hydro đạt 500x109 Nm³/năm hay 45x106 tấn/năm, chiếm khoảng 1,5% sản xuất năng lượng thế giới. Nhu cầu hydro của châu Âu cho chế biến dầu là 20x109 Nm³/năm hay 1,8x106 tấn/năm. Vào năm 2050 hydro sẽ chiếm 20% năng lượng của thế giới.

Hydro có hiệu suất năng lượng cao và có thể hạn chế các phản ứng thứ cấp. Nó được vận chuyển dưới dạng khí (qua đường ống) dưới dạng khí nén, hay dạng lỏng nhờ công nghệ làm lạnh. Hóa lỏng hydro tiêu tốn 35% năng lượng, tương đương hóa lỏng khí thiên nhiên. Hydro được sản xuất bằng các phương pháp khác nhau, như khí hóa than, cặn dầu hay biomass, reforming hơi nước khí metan hay điện phân nước. Các quá trình đó đòi hỏi nhiều chất xúc tác. Hydro được sản xuất từ nước nhờ xúc tác enzym với sự trợ giúp của ánh sáng, hay xúc tác quang hóa. Hydro còn được dùng trong pin nhiên liệu, qua đó sản xuất ra điện, được dùng cho động cơ. Một trong những vấn đề quan trọng trong sản xuất và sử dụng hydro làm nguồn năng lượng là các vật liệu mao quản để tàng trữ và vận chuyển hydro.

Và hóa chất công nghiệp

Sản xuất các hóa chất công nghiệp có nhu cầu lớn và rất đa dạng. Từ nguyên liệu dầu mỏ và khí thiên nhiên có thể tạo ra đến 20 ngàn loại sản phẩm khác nhau, trong đó nhu cầu xúc tác và hấp phụ là rất đa dạng và luôn được cải tiến hoàn thiện.

Hiện nay, ở nước ta, trong công nghiệp hóa chất, các loại xúc tác cho các quá trình sản xuất, như xúc tác V2O5 ôxy hóa khí sunfurơ thành khí sunfuric trong sản xuất axit sunfuric, xúc tác niken cho sản xuất khí tổng hợp, xúc tác trên cơ sở oxit sắt hay oxit hỗn hợp Zn-Cu-Cr cho chuyển hóa khí - nước và xúc tác sắt cho tổng hợp amoniac trong sản xuất phân đạm, xúc tác bạc cho chuyển hóa metanol thành formaldehyde vẫn đang là những nhu cầu thường xuyên. Sản xuất axit nitric rồi đây sẽ được đặt ra, vì đây là một sản phẩm quan trọng cho cả công nghiệp hóa chất và công nghiệp quốc phòng.

Từ các nguyên liệu dầu mỏ và khí thiên nhiên, có thể sản xuất hàng loạt các monome cho tổng hợp các polyme, các hợp chất trung gian cho sản xuất các chất giặt rửa, chất bôi trơn, các dược phẩm, thuốc bảo vệ thực vật và thuốc thú y, các dung môi v.v... Nhu cầu các hóa chất từ hóa dầu mỏ tăng 5,5%/năm, nhất là từ propylen và etylen, cũng như BTX. Cũng tăng nhu cầu hydro cho các quá trình hydro hóa. Một vấn đề cần lưu ý là phải giảm lượng CO2 phát thải từ hóa dầu.Theo hướng này, nhu cầu xúc tác rất lớn. Riêng trong các quá trình oxi hóa có thể có hàng loạt sản phẩm quan trọng được sản xuất theo những phản ứng xúc tác.

Ngoài ra, còn hàng loạt chất xúc tác cần thiết cho các quá trình hydro hóa benzen thành xiclohexan, các nitril thành những amin, phenol thành xiclohexanol, nitrobenzen thành anilin, v.v...; cho quá trình dehydro hóa parafin thành olefin, alcol thành xeton v.v...; quá trình hydrat hóa etylen thành etanol v.v...; các quá trình polyme hóa v.v...

Về vảo vệ môi trường, xúc tác và hấp phụ cũng có vai trò to lớn trong việc xử lý tình trạng ô nhiễm các nguồn nước, không khí và chống biến đổỉ khí hậu. Sự phát thải các nguồn khí CO₂ dẫn đến làm biến đổi khí hậu. Nhưng với việc sử dụng chất xúc tác có thể chuyển hóa nguồn CO₂ thành những sản phẩm có lợi.

Vai trò kết nối quan trọng

Như vậy, tình hình phát triển của đất nước ta đang có những nhu cầu lớn về công nghệ và nhân lực có trình độ hiểu biết ngày càng cao về xúc tác và hấp phụ. Chính ở đây nổi lên vai trò của những người hoạt động trong lĩnh vực khoa học và công nghệ xúc tác và hấp phụ ở các trường đại học, các viện nghiên cứu và cơ sở sản xuất cả nước và cần có những nỗ lực tập thể.

Hội Khoa học, Công nghệ Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam chính là một tổ chức nghề nghiệp khoa học công nghệ sẽ có vai trò tích cực trong việc tập hợp lực lượng này.

Trong thời kỳ hội nhập kinh tế thế giới, một thách thức lớn là vấn đề cạnh tranh quyết liệt. Để tồn tại và phát triển trong cuộc cạnh tranh đó, phải luôn luôn chủ động hoàn thiện công nghệ sản xuất. Để làm được việc này, phải có khả năng tiếp cận các nguồn thông tin khoa học công nghệ và nghiên cứu ứng dụng những thành tựu khoa học công nghệ mới vào thực tiễn. Hội Khoa học, Công nghệ Xúc tác và Hấp phụ luôn thể hiện là một kênh tiếp cận tốt các nguồn thông tin quan trọng. Hiện nay, ở các nước như Nga, Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc, Pháp… đều có hội khoa học về xúc tác, khu vực Châu Á - Thái Bình Dương có Liên hiệp Các hội xúc tác Châu Á - Thái Bình Dương (gọi là APACS). Hội Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam đã có những tiếp cận tốt với các tổ chức khoa học của thế giới, từ đó tạo các kênh tiếp xúc trao đổi thông tin khoa học công nghệ tương ứng, để đáp ứng những yêu cầu của đất nước trong điều kiện hội nhập khu vực và thế giới hiện nay.

Từ năm 2000 đến nay, cứ 2 năm một lần, hội nghị khoa học toàn quốc về xúc tác và hấp phụ đã được tổ chức đều đặn với sự tham gia của các nhà khoa học quốc tế. Thường xuyên còn tổ chức các hội thảo khoa học tại Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, có những hội thảo song phương giữa Việt Nam và Nhật Bản hay giữa Việt Nam và CH Pháp… Đã tổ chức các đoàn đi khảo sát thực tế tại các cơ sở sản xuất, như Công ty Phân Đạm và Hóa chất Hà Bắc, Công ty Supephosphat và Hóa chất Lâm Thao, Công ty Phân Đạm và Hóa chất Dầu khí (Phú Mỹ), Công ty Than hoạt tính Trà Bắc (Trà Vinh)…

Từ những nhận thức về yêu cầu của đất nước, điều kiện khách quan và chủ quan, cũng như trách nhiệm của những người làm khoa học công nghệ, lực lượng khoa học và công nghệ về xúc tác và hấp phụ cả nước luôn có nguyện vọng thiết tha được đóng góp thiết thực vào sự phát triển hiệu quả và bền vững của đất nước, trước hết là về năng lượng, vật liệu và hóa phẩm, bảo vệ môi trường và chống biến đổi khí hậu, những nội dung chiến lược trong quá trình phát triển hiện nay và tương lai.

M.T