Ngành hóa chất đặt ra nhiều vấn đề về môi trường, sức khỏe con người và biến đổi khí hậu. Ảnh: TL.
Ngành hóa chất gần như liên quan đến mọi ngành kinh tế khác, theo một báo cáo, ngành hóa chất đóng góp ước tính 5.700 tỉ USD vào tổng sản phẩm quốc nội (GDP) thế giới thông qua các tác động trực tiếp, gián tiếp, tương đương với 7% GDP của thế giới và tạo ra hơn 120 triệu việc làm trên toàn thế giới.
Tuy nhiên, đây cũng là ngành đặt ra nhiều vấn đề về môi trường, sức khỏe con người và biến đổi khí hậu. Chính ngành hóa chất đã tạo ra các giải pháp công nghệ, các công cụ và vật liệu để giải quyết ô nhiễm cho chính mình và những nguồn ô nhiễm khác.
Kinh tế tuần hoàn là giải pháp quan trọng để giảm thiểu phát sinh chất thải và ô nhiễm môi trường. Hóa học xanh là một giải pháp quan trọng để góp phần giảm thiểu tác hại do hóa chất gây ra.
Hóa học xanh là một khái niệm chỉ một ngành hóa học và kỹ thuật khuyến khích việc thiết kế các sản phẩm và quá trình giảm thiểu việc sử dụng và tạo ra các chất độc hại. Hóa học xanh tìm cách giảm thiểu và ngăn ngừa ô nhiễm ngay tại nguồn.
Trong cuốn “Ngành hóa chất xanh: Lý thuyết và thực tiễn” (Nhà xuất bản Đại học Oxford, 1998), Paul Anastas và John Warner đã đưa ra 12 nguyên tắc như một lộ trình cho các nhà hóa học trong việc thực hiện hóa chất xanh.
Năm 2030 dự kiến nhu cầu phân bón vô cơ các loại trên thế giới ở mức 242 triệu tấn. Ảnh: TL.
Ngăn ngừa: Tốt nhất là ngăn ngừa sự phát sinh của chất thải hơn là xử lý hay làm sạch chúng.
Tính kinh tế: Các phương pháp tổng hợp phải được thiết kế sao cho các nguyên liệu tham gia vào quá trình tổng hợp có mặt tới mức tối đa trong sản phẩm cuối cùng.
Phương pháp tổng hợp ít nguy hại: Các phương pháp tổng hợp được thiết kế nhằm sử dụng và tái sinh các chất ít hoặc không gây nguy hại tới sức khỏe con người và cộng đồng.
Hóa chất an toàn hơn: Sản phẩm hóa chất được thiết kế, tính toán sao cho có thể đồng thời thực hiện được chức năng đòi hỏi của sản phẩm nhưng lại giảm thiểu được tính độc hại.
Dung môi và các chất phụ trợ an toàn hơn: Trong mọi trường hợp có thể nên dùng các dung môi, các chất tham gia vào quá trình tách và các chất phụ trợ khác không có tính độc hại.
Thiết kế nhằm sử dụng hiệu quả năng lượng: Các phương pháp tổng hợp được tính toán sao cho năng lượng sử dụng cho các quá trình hóa học ở mức thấp nhất.
Sử dụng nguyên liệu có thể tái sinh: Nguyên liệu dùng cho các quá trình hóa học có thể tái sử dụng thay cho việc loại bỏ.
Giảm thiểu dẫn xuất: Vì các quá trình tổng hợp dẫn xuất đòi hỏi thêm các hóa chất khác và thường tạo thêm chất thải.
Xúc tác: Tác nhân xúc tác nên dùng ở mức cao hơn so với đương lượng các chất phản ứng.
Tính toán, thiết kế để sản phẩm có thể phân hủy sau sử dụng: Các sản phẩm hóa chất được tính toán và thiết kế sao cho khi thải bỏ chúng có thể bị phân huỷ trong môi trường.
Phân tích thời gian hữu ích để ngăn ngừa ô nhiễm: Phát triển các phương pháp phân tích cho phép quan sát và kiểm soát việc tạo thành các chất thải nguy hại.
Hóa học an toàn hơn để đề phòng các sự cố: Các hợp chất và quá trình tạo thành các hợp chất sử dụng cần được chọn lựa sao cho có thể hạn chế tới mức thấp nhất mối nguy hiểm có thể xảy ra.
Như thế để áp dụng hóa học xanh cần phải thực hiện nhiều biện pháp, trong ngành phân bón, ammoniac xanh đóng vai trò quan trọng.
Amoniac là hợp chất hóa học của nito và hydro có công thức hóa học NH3, amoniac xanh được định nghĩa là sản phẩm amoniac được sản xuất bằng các nguồn năng lượng tái tạo, không phát thải khí cacbon. Amoniac xanh ngày càng được quan tâm và được thúc đẩy mạnh mẽ nhờ những nỗ lực toàn cầu nhằm giảm thiểu phát thải cacbon trong những thập niên tới.
Cần phân biệt hai loại ammoniac (green amm
onia và blue ammonia, xanh nước biển và xanh lá cây). Amoniac xanh nước biển được sản xuất từ khí tự nhiên có thu hồi CO2 còn amoniac xanh lá cây được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo.
Gần 98% nguyên liệu để sản xuất amoniac có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch. Ảnh: T.L
Theo Fertilizerworld, tổng lượng phân bón vô cơ toàn cầu năm 2021/2022 ở mức trên 200 triệu tấn/năm. Hiệp hội Phân bón Quốc tế (IFA) công bố tháng 8 năm 2021, tổng lượng phân bón sử dụng toàn cầu (N + P + K) ước tính ở mức 198,2 triệu tấn vào năm 2020-21, cao hơn gần 10 triệu tấn (5,2%) so với năm 2019-20.
Tăng trưởng hàng năm về nhu cầu phân bón toàn cầu sẽ vào khoảng trung bình 1% từ giai đoạn 2021-22 đến giai đoạn 2025-26, năm 2030 dự kiến nhu cầu phân bón vô cơ các loại trên thế giới ở mức khoảng 241,9 triệu tấn.
Năm 2021, tổng lượng sản xuất ammoniac toàn cầu ở mức 200 triệu tấn. Đông Á là khu vực sản xuất amoniac lớn nhất, 64.6 triệu tấn, trong đó Trung Quốc đứng đầu thế giới về sản xuất amoniac với 39 triệu tấn.
Theo Hiệp hội Năng lượng amoniac thế giới, có khoảng 10% lượng amoniac sản xuất được giao dịch trên thị trường toàn cầu. Gần 98% nguyên liệu để sản xuất amoniac có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch, trong đó 80% lượng amoniac toàn cầu được sử dụng làm nguyên liệu sản xuất phân bón chứa nito (đạm).
Sản xuất amoniac - cơ sở cho sản xuất phân chứa nito (đạm) như urea, phân DAP, phân nitrat amon,… - là một trong những thành tựu lớn nhất trong lịch sử nhân loại. Quy trình Haber-Bosch sản xuất amoniac ra đời cách đây đã hơn 100 năm, nhiều cải tiến công nghệ đã giúp tăng mạnh hiệu quả năng lượng và giảm chi phí sản xuất của quá trình, nhờ đó sản phẩm phân bón chứa đạm có thể được sử dụng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp ở khắp mọi nơi trên thế giới.
Phân bón chứa đạm cùng với các loại phân bón khác đã góp phần quan trọng tăng sản lượng cây trồng, đảm bảo nguồn cung lương thực thực phẩm để nuôi sống hàng tỉ người trên trái đất.
Tuy nhiên sản xuất ammoniac “truyền thống” gây ra khoảng 1% tổng lượng phát thải khí nhà kính toàn cầu. Điều này chủ yếu là do sản xuất amoniac “truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch (như than, hoặc khí tự nhiên) làm nguyên liệu.
Con người có thể giảm thiểu lượng khí phát thải toàn cầu từ sản xuất amoniac “truyền thống” bằng cách phát triển sản xuất amoniac mà không sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Khi sản xuất amoniac xanh người ta sử dụng thiết bị điện phân để tách hydro từ nước và thiết bị để tách nitơ từ không khí, năng lượng cần thiết cho những quá trình này là điện năng được tạo ra từ năng lượng mặt trời/gió/thủy điện.
Đây thực sự là một bước tiến nhảy vọt đáng kể cho sự phát triển bền vững trong ngành phân bón, đồng thời mang đến cơ hội hợp tác giữa ngành phân bón và ngành năng lượng. Tất cả 4 công ty cung cấp công nghệ tổng hợp amoniac hàng đầu hiện nay gồm KBR, ThyssenKrupp, Haldor Topsoe và Casale - đều đang có kế hoạch kết hợp quy trình tổng hợp amoniac của mình với các thiết bị điện phân.
Một trong những thách thức lớn mà sản xuất amoniac xanh đang phải đối mặt là chi phí năng lượng tái tạo cao và nguồn cung hạn chế so với nguồn cung khí thiên nhiên rẻ tiền và dồi dào. Tại châu Âu, chi phí năng lượng tái tạo hiện nay khiến cho giá thành sản xuất một tấn amoniac xanh cao hơn khoảng 2 đến 3 lần so với amoniac truyền thống.
Sản lượng hydro xanh để sản xuất ammoniac xanh mới chỉ chiếm chưa đến 1% tổng sản lượng hydro hàng năm. Ảnh: TL.
Theo một dự báo, về dài hạn, ước tính giá năng lượng tái tạo giảm sẽ giúp cho chi phí sản xuất amoniac xanh chỉ còn cao hơn 50-150% so với amoniac truyền thống. Đồng thời, việc đánh thuế phát thải cacbon cao theo quy định ở châu Âu cũng sẽ hỗ trợ sản xuất amoniac xanh.
Tiềm năng, lợi ích của amoniac xanh là rất lớn nhưng vấn đề mà dư luận quan tâm là khi nào thì nguồn năng lượng này khả thi cả về mặt công nghệ và thương mại. Theo Hiệp hội Hóa học Hoàng gia Anh (RSC), amoniac xanh sẽ có mặt trên thị trường ở quy mô thương mại vào năm 2030 bằng phương pháp sản xuất ở quy mô công nghiệp.
Vào năm 2019, trên toàn thế giới, sản lượng “hydro xanh” để sản xuất ammoniac xanh mới chỉ chiếm chưa đến 1% tổng sản lượng hydro hàng năm. Tuy nhiên, theo dự báo của Wood Mackezie - một công ty tư vấn năng lượng lớn của Anh, sản lượng “hydro xanh” sẽ bùng nổ trong những năm tới.
Hiện nay, một số công ty sản xuất hóa chất trên thế giới đã giới thiệu các nhà máy sản xuất amoniac xanh và tìm cách phát triển thị trường amoniac xanh. Tháng 6/2018, Công ty Siemens đã đưa vào vận hành dự án trình diễn sản xuất amoniac xanh gần Oxford, Anh.
Nhà máy sản xuất ammoniac xanh gần như đầu tiên với công suất 1.500 tấn/năm được xây dựng tại Đông bắc Ấn Độ vào năm 2020, Chủ đầu tư là Công ty Năng lượng mặt trời của Ấn Độ được Công ty Kapsom, công ty hàng đầu thế giới về các giải pháp năng lượng bền vững hỗ trợ.
Công ty Hive Hydrogen và Linde, Nam Phi công bố xây dựng Nhà máy amoniac xanh công suất 780.000 tấn/năm, tổng mức đầu tư 4,6 tỷ USD vào loại lớn nhất hiện nay, Nhà máy đặt tại Coega, Nam Phi, nhà máy góp phần giảm khoảng 70.000 tấn lượng khí thải CO2 mỗi năm. Amoniac xanh với ngành phân bón: Toyo Engineering, Nhật Bản đã hợp tác với Tập đoàn Phân bón Indonesia (Pupuk Indonesia Holding) sản xuất amoniac xanh.
Ngoài dùng cho phân bón, Toyo Engineering và Pupuk còn dự kiến sử dụng amoniac xanh như một loại nhiên liệu sạch để cung cấp năng lượng cho các tàu thuyền. Ngoài việc cải tạo cơ sở cũ của Pupuk Iskandar Muda, Toyo Engineering và Pupuk có kế hoạch đưa hệ thống này sang các nhà máy phân bón khác thuộc Tập đoàn Pupuk.
Vào giai đoạn hiện nay, nhiều quốc gia đã coi phát triển hydro xanh, ammoniac xanh là nhân tố chính của hóa học xanh, năng lượng xanh, do đó, Việt Nam cũng cần phải có kế hoạch, chiến lược nhằm tiếp cận nghiên cứu, phát triển các hóa chất này góp phân thực hiện cam kết COP - 26 (Hội nghị các Bên tham gia Công ước Khung của Liên hợp quốc về Biến đổi khí hậu).
