Tin thị trường và sản phẩm

Bảo Hiền tổng hợp

Một nhóm nghiên cứu Đức đã mô phỏng quy trình sản xuất soda ash (natri cacbonat, Na₂CO₃) từ nước muối và CO₂ thu trực tiếp từ không khí, với công suất nhà máy giả định 1.000 tấn sản phẩm mỗi ngày. Quy trình sử dụng điện phân nước muối để tạo xút, sau đó dùng xút hấp thụ CO₂. Phương án được đánh giá triển vọng nhất có chi phí vận hành khoảng 150 USD/tấn soda và lượng CO₂ hấp thụ ròng ước tính khoảng 0,15 tấn/tấn sản phẩm. Tuy nhiên, đây mới là nghiên cứu khả thi sơ bộ.

Công trình do Maria Gutierrez, Heike Lorenz và Peter Schulze thuộc Viện Max Planck về Động lực học các Hệ thống Kỹ thuật Phức tạp, Magdeburg, Đức, thực hiện và công bố trên Industrial & Engineering Chemistry Research năm 2025.

Khác biệt với quy trình Solvay

Quy trình Solvay hiện chiếm khoảng 75% sản lượng soda ash toàn cầu, tương đương khoảng 56 triệu tấn mỗi năm. Theo bài báo, quy trình này phát thải trực tiếp khoảng 200–300 kg CO₂/tấn soda, cùng lượng phát thải gián tiếp từ năng lượng khoảng 790–1.160 kg CO₂/tấn sản phẩm. Ngoài ra, quá trình còn tạo ra khoảng 1 tấn canxi clorua cho mỗi tấn soda, phần lớn được thải theo dòng nước thải.

Quy trình mới, được nhóm nghiên cứu gọi là CODA, sử dụng một hướng tiếp cận khác: thay vì dựa vào các phản ứng hóa học đặc trưng của quy trình Solvay, hệ thống kết hợp điện phân nước muối với công nghệ thu giữ CO₂ trực tiếp từ không khí.

Đầu tiên, nước muối tinh chế có nồng độ NaCl khoảng 26% khối lượng được điện phân để tạo xút nồng độ 32%, hydro và clo. Xút sau đó được pha loãng xuống 5–7% trước khi tiếp xúc với không khí đã làm ẩm, qua đó hấp thụ CO₂ và tạo dung dịch natri cacbonat.

Dung dịch tiếp tục được kết tinh theo một trong hai phương án. Phương án thứ nhất kết tinh natri cacbonat decahydrat ở khoảng 10°C, sau đó chuyển thành monohydrat ở 45–100°C. Phương án thứ hai kết tinh trực tiếp monohydrat trong một bước. Cuối cùng, sản phẩm được sấy ở nhiệt độ tối đa 150°C để thu soda khan.

Theo thiết kế mô phỏng, quy trình không cần nung đá vôi và sử dụng điện cho toàn bộ hệ thống, bao gồm cả máy nén hơi cơ học phục vụ quá trình kết tinh.

Bốn phương án trong mô hình nhà máy 1.000 tấn/ngày

Nhóm nghiên cứu sử dụng phần mềm Aspen Plus để mô phỏng bốn phương án vận hành:

• P1: Hấp thụ CO₂ bằng tháp dòng chéo, kết tinh hai bước.
• P2: Hấp thụ CO₂ bằng tháp dạng giọt, kết tinh hai bước.
• P3: Hấp thụ CO₂ bằng tháp dòng chéo, kết tinh một bước.
• P4: Tương tự P1, đồng thời sản xuất axit clohydric từ hydro và clo.

Kết quả mô phỏng cho thấy vốn đầu tư tính trên mỗi tấn công suất soda là khoảng 195–209 USD đối với phương án sử dụng tháp hấp thụ dòng chéo, trong khi phương án tháp dạng giọt cần khoảng 337 USD.
Chi phí vận hành được ước tính ở mức 150 USD/tấn soda với quy trình kết tinh hai bước và 175 USD/tấn với quy trình kết tinh một bước. Trong các phương án được khảo sát, P1 được đánh giá là triển vọng nhất. Phương án này hấp thụ ròng khoảng 0,15 tấn CO₂ trên mỗi tấn soda và được bài báo mô tả là có “doanh thu gần 200 USD/tấn soda”. Tuy nhiên, bài báo không làm rõ đây là doanh thu gộp hay lợi nhuận sau khi trừ chi phí.

Các giả định kinh tế chính gồm giá soda 310 USD/tấn, hydro 5.000 USD/tấn, clo 200 USD/tấn, axit clohydric nồng độ 33% là 56,5 USD/tấn, chứng chỉ CO₂ 75 USD/tấn, điện 65 USD/MWh và nước muối 2 USD/tấn. Mô hình sử dụng hệ số vốn 10% và thời gian vận hành 7.225 giờ mỗi năm.

Đáng chú ý, điện phân chiếm khoảng 85% tổng lượng điện tiêu thụ của phương án P1. Nhóm nghiên cứu nhấn mạnh rằng doanh thu từ các sản phẩm phụ đóng vai trò quan trọng đối với hiệu quả kinh tế của quy trình.

Sản phẩm phụ có thể quyết định hiệu quả kinh tế

Điện phân nước muối tạo ra không chỉ xút mà còn hydro và clo. Theo tính toán cân bằng hóa học trong bài phân tích này, mỗi tấn soda tương ứng với khoảng 0,67 tấn clo và 19 kg hydro.

Với nhà máy công suất 1.000 tấn soda mỗi ngày, lượng sản phẩm phụ ước tính lên tới khoảng 670 tấn clo và 19 tấn hydro mỗi ngày.

Áp dụng các mức giá giả định trong nghiên cứu, hydro có thể mang lại doanh thu khoảng 95 USD cho mỗi tấn soda, còn clo tương ứng khoảng 134 USD/tấn soda. Đây là những khoản doanh thu đáng kể so với chi phí vận hành được công bố.

Tuy nhiên, việc tạo ra sản phẩm phụ với khối lượng lớn không đồng nghĩa toàn bộ sản lượng đều có thể bán được. Bài báo xem hydro và clo là các sản phẩm có khả năng thương mại hóa, nhưng phần nội dung được đối chiếu chưa cho thấy phân tích đầy đủ về khả năng thị trường hấp thụ lượng clo lớn như vậy. Độ nhạy của hiệu quả kinh tế trước biến động giá hydro cũng cần được làm rõ.

Do đó, khả năng tiêu thụ sản phẩm phụ, yêu cầu lưu trữ và vận chuyển, cũng như chi phí xử lý khi không bán hết sản lượng là những yếu tố quan trọng cần xem xét khi đánh giá tính khả thi của quy trình.
Khả năng âm carbon phụ thuộc vào nguồn điện

Theo cân bằng hóa học, lượng CO₂ có thể được hấp thụ trong phản ứng tạo soda vào khoảng 0,415 tấn trên mỗi tấn sản phẩm; phần mở đầu của bài báo nêu con số xấp xỉ 400 kg. Tuy nhiên, mức hấp thụ ròng được nêu trong phần tóm tắt chỉ khoảng 0,15 tấn CO₂/tấn soda, thấp hơn đáng kể.

Một cách lý giải có thể là con số 0,15 tấn đã tính đến lượng phát thải phát sinh từ việc sử dụng điện. Tuy nhiên, đây là suy luận dựa trên các số liệu được công bố, không phải lời giải thích được xác nhận rõ ràng trong bài báo.

Trong phép tính phát thải, nhóm nghiên cứu chỉ xét lượng điện tiêu thụ và sử dụng hệ số phát thải 0,127 kg CO₂ tương đương/kWh, tương ứng với mức được áp dụng cho điện gió trên bờ. Phát thải liên quan đến sản xuất và xử lý nước muối thô, cũng như xử lý hydro và clo, chưa được đưa vào phạm vi tính toán. Nhóm tác giả cho biết cần thực hiện đánh giá vòng đời đầy đủ trong các nghiên cứu tiếp theo.
Theo phép tính ngược trong bài phân tích này, nếu hệ số phát thải của điện vượt khoảng 0,2 kg CO₂/kWh, kết quả có thể không còn âm carbon. Vì vậy, khả năng đạt phát thải ròng âm phụ thuộc đáng kể vào nguồn điện sử dụng và ranh giới hệ thống được lựa chọn.

Nói cách khác, việc hấp thụ CO₂ từ không khí không tự động khiến toàn bộ quy trình trở thành công nghệ âm carbon. Để xác định lợi ích khí hậu thực tế, cần tính cả phát thải trong chuỗi cung ứng nguyên liệu, vận hành, xử lý sản phẩm phụ và các công đoạn liên quan khác.

Mô hình vẫn ở giai đoạn khả thi sơ bộ

Nghiên cứu có một số cơ sở kiểm chứng cho các mô hình thành phần. Mô hình nhiệt động được đối chiếu với dữ liệu từ tài liệu khoa học và các thí nghiệm của nhóm, được trình bày trong phần phụ lục. Mô hình tháp hấp thụ cũng đã được kiểm chứng trong một công bố trước đó.

Tuy nhiên, toàn bộ quy trình tích hợp chưa được kiểm chứng thực nghiệm. Tế bào điện phân không được mô phỏng trực tiếp mà được biểu diễn bằng mô hình lấy từ tài liệu. Kích thước tháp hấp thụ và thiết bị làm ẩm được xác định bằng các công thức tương quan đã công bố. Chi phí máy nén chân không được ước tính dựa trên máy nén thông thường, trong khi việc xác định chi phí thực tế cần thêm dữ liệu từ nhà chế tạo.

Phương án tích hợp nhiệt giữa các công đoạn cũng mới ở mức sơ bộ. Vì vậy, kết quả mô phỏng chủ yếu cung cấp cơ sở ban đầu để đánh giá cấu hình quy trình và các yếu tố kinh tế, chưa đủ để khẳng định hiệu suất vận hành hoặc chi phí của một nhà máy thực tế. Nhóm tác giả cũng xác định đây là nghiên cứu khả thi sơ bộ và đề xuất tiếp tục phát triển, mở rộng quy mô công nghệ.

Nhìn chung, CODA đưa ra một hướng tiếp cận kết hợp điện phân nước muối và thu giữ CO₂ trực tiếp từ không khí để sản xuất soda ash. Tuy nhiên, tính khả thi của quy trình không chỉ phụ thuộc vào khả năng hấp thụ CO₂ mà còn nằm ở chi phí điện, nguồn điện sạch, khả năng tiêu thụ hydro và clo, cùng mức độ chính xác của các giả định trong mô hình kinh tế. Trước khi có thể đánh giá tiềm năng thương mại, quy trình cần được kiểm chứng ở quy mô lớn hơn và đánh giá đầy đủ hơn về phát thải vòng đời.

Nguồn tham khảo
Gutierrez, M. F., Lorenz, H., & Schulze, P. (2025). “Carbon-negative production of soda ash: Process development and feasibility evaluation.” Industrial & Engineering Chemistry Research, 64(23), 11474–11496. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5c00483