Tin thị trường và sản phẩm

Bảo Hiền tổng hợp

Công nghệ điện hóa do các nhà khoa học Trung Quốc phát triển có thể chuyển hydro sulfua (H₂S) trong khí tự nhiên thành kali sulfat dùng làm phân bón, thay vì thu hồi lưu huỳnh như quy trình truyền thống. Hệ thử nghiệm hoạt động liên tục 100 giờ, mở ra hướng tận dụng khí độc thành sản phẩm có giá trị cao hơn.

Nhóm nghiên cứu do PGS Haohong Duan, Đại học Thanh Hoa, và Hua Zhou, Đại học Công nghệ Hóa học Bắc Kinh, thực hiện, công bố kết quả trên tạp chí Nature Communications vào tháng 8/2025.

Điểm mới của công nghệ là kết hợp xử lý khí độc với sản xuất hóa chất có giá trị thương mại. Thay vì đốt H₂S để thu hồi lưu huỳnh, nhóm nghiên cứu sử dụng điện để thúc đẩy các phản ứng oxy hóa, tạo kali sulfat (K₂SO₄), một loại phân bón được sử dụng trong nông nghiệp.

H₂S thường xuất hiện trong khí tự nhiên và dầu thô, có thể gây ngộ độc, ăn mòn đường ống và làm hỏng chất xúc tác trong các nhà máy lọc dầu. Nồng độ khí này trong khí tự nhiên thô có thể đạt 1–10% theo thể tích, khiến việc loại bỏ trở thành công đoạn quan trọng trước khi đưa nguyên liệu vào sử dụng.

Hiện nay, phần lớn H₂S công nghiệp được xử lý bằng quy trình Claus. Phương pháp này đốt một phần H₂S thành lưu huỳnh đioxit (SO₂), sau đó cho phản ứng với lượng H₂S còn lại để thu hồi lưu huỳnh. Dù tạo ra hơn 95% lượng lưu huỳnh trên thế giới, quy trình đòi hỏi nhiệt độ trên 900°C và vẫn cần các công đoạn xử lý bổ sung để kiểm soát khí độc còn dư.

Tạo chất oxy hóa ngay trong lò phản ứng

Theo nhóm nghiên cứu, lưu huỳnh thu hồi có giá khoảng 110 USD mỗi tấn, trong khi kali sulfat có giá khoảng 500 USD mỗi tấn. Việc chuyển trực tiếp H₂S thành kali sulfat vì thế có thể kết hợp hai mục tiêu: giảm ô nhiễm và nâng giá trị sản phẩm đầu ra.

Thách thức kỹ thuật nằm ở quá trình oxy hóa H₂S thành ion sulfat. Phản ứng cần chất oxy hóa mạnh như hydro peroxit (H₂O₂), nhưng việc sử dụng hóa chất này từ bên ngoài làm tăng chi phí.

Để giải quyết vấn đề, nhóm nghiên cứu phát triển hệ điện hóa có khả năng tạo H₂O₂ ngay tại điện cực âm (catot), thông qua phản ứng khử oxy với chất xúc tác là ống nano carbon đã oxy hóa.

Trong hệ thống, H₂S được hấp thụ vào dung dịch kali hydroxit, tạo thành các ion sulfua. Những ion này tiếp tục bị oxy hóa qua các hợp chất trung gian như thiosulfat và sulfit trước khi chuyển thành sulfat, thành phần cần thiết để tạo kali sulfat.

Các thử nghiệm ban đầu cho thấy hiệu suất chuyển hóa còn thấp do H₂O₂ tạo ra bị pha loãng trong dung dịch. Chỉ khoảng 45% H₂S được chuyển hóa và tỷ lệ tạo sulfat dưới 25%.

Nhóm sau đó chuyển sang thiết kế lò phản ứng dòng chảy, đưa oxy dạng khí trực tiếp đến bề mặt điện cực để tăng hiệu quả tạo H₂O₂ tại khu vực diễn ra phản ứng.

Mô phỏng cho thấy nồng độ H₂O₂ trong lớp dung dịch cách bề mặt điện cực khoảng 10 micromet đạt 1,04%, cao hơn hơn 86 lần so với nồng độ trong dung dịch khối. Nhờ đó, lò phản ứng có diện tích điện cực 4 cm² đạt tỷ lệ chuyển hóa H₂S 98% và tỷ lệ tạo kali sulfat 90%.

Khi thử nghiệm với hỗn hợp H₂S và metan mô phỏng khí tự nhiên, nhóm ghi nhận H₂O₂ không oxy hóa metan trong điều kiện khảo sát. Một lượng nhỏ CO₂ ở mức 1.000 ppm cũng hầu như không ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.

Hệ thống vận hành liên tục 100 giờ

Từ kết quả ở quy mô nhỏ, nhóm tiếp tục mở rộng diện tích điện cực lên 100 cm² để kiểm tra khả năng xử lý dòng khí lớn hơn.

Trong thử nghiệm sử dụng khí mô phỏng chứa 10% H₂S, lưu lượng 300 ml mỗi phút, nồng độ H₂S đầu ra giảm từ 100.000 ppm xuống dưới 15 ppm. Tỷ lệ chuyển hóa vượt 90%, trong khi tỷ lệ tạo kali sulfat đạt khoảng 70%.

Sau 100 giờ vận hành liên tục, hệ thống thu được 397 g kali sulfat. Điện áp hoạt động duy trì trong khoảng 2,52–2,94 V, cho thấy thiết bị có thể vận hành ổn định trong thời gian thử nghiệm.

Nhóm cũng phát triển một thiết kế lò phản ứng khác, sử dụng lớp chất điện ly rắn ở giữa để sản xuất trực tiếp axit sulfuric. Tuy nhiên, dung dịch thu được mới đạt nồng độ 1,4%, hiệu suất sử dụng điện khoảng 30%. Lưu huỳnh lắng đọng trong thiết bị cũng khiến hệ thống phải được rửa bằng dung dịch natri sulfit sau mỗi 10 giờ vận hành.

Hiệu quả môi trường phụ thuộc vào nguồn điện

Dù cho thấy tiềm năng về công nghệ, phương pháp mới vẫn cần cải thiện trước khi có thể cạnh tranh với các quy trình công nghiệp hiện hành.

Đánh giá vòng đời cho thấy mức phát thải khí nhà kính của hệ thống trong điều kiện thử nghiệm ban đầu còn cao hơn các phương pháp sản xuất công nghiệp. Theo mô hình của nhóm nghiên cứu, việc sử dụng điện gió, tăng nồng độ dung dịch kiềm để giảm năng lượng cô đặc và lấy H₂S trực tiếp từ khí tự nhiên có thể đưa phát thải xuống khoảng 0,4 kg CO₂ cho mỗi kg kali sulfat, thấp hơn mức của phương pháp công nghiệp được so sánh.

Về kinh tế, chi phí sản xuất được ước tính khoảng 0,44 USD mỗi kg kali sulfat, so với giá thị trường khoảng 0,5 USD mỗi kg. Khoảng chênh lệch này tương đối nhỏ và còn phụ thuộc vào giá điện, giá kali hydroxit, mật độ dòng điện cũng như hiệu suất chuyển hóa.

Kết quả hiện tại mới được chứng minh trên lò phản ứng có diện tích 100 cm², chưa phải dây chuyền công nghiệp. Công nghệ cũng cần được đánh giá thêm về độ bền thiết bị, mức tiêu thụ năng lượng, khả năng vận hành dài hạn và hiệu quả kinh tế khi mở rộng quy mô.

Theo nhóm nghiên cứu, nguyên lý điện hóa này có thể được phát triển cho các ứng dụng xử lý khí thải và nước thải chứa lưu huỳnh. Nếu tiếp tục được hoàn thiện, công nghệ có thể góp phần chuyển chất thải nguy hại thành nguyên liệu sản xuất, đồng thời mở thêm hướng tận dụng phụ phẩm trong ngành dầu khí và hóa chất.