Vật liệu mới bẫy khí từ nhiên liệu hạt nhân hiệu quả hơn nhưng lại sử dụng ít năng lượng

Nhóm các nhà nghiên cứu thuộc trường Đại học Liverpool ở Anh, Đại học Newcastle (Anh) và Đại học Aix-Marseille, Pháp, đã chế tạo được vật liệu mới gọi là CC3, có thể bẫy các khí xenon, krypton và radon một cách hiệu quả.

Khí xenon, krypton và radon được sử dụng trong các ngành công nghiệp như ánh sáng hay y học. Riêng khí radon có thể nguy hại khi tích tụ trong các toà nhà. Khi nhiên liệu hạt nhân được tái chế, qui trình này thải ra khí krypton và xenon phóng xạ. Urani xuất hiện tự nhiên trong đá gây ô nhiễm các tầng đất bằng khí radon. Nghiên cứu mới nêu rõ vật liệu CC3 thu các khí này để chúng không thoát ra ngoài, từ đó, sẽ cho ra đời những phương pháp giá rẻ, tiêu thụ ít năng lượng để trích xuất các khí đó.

Vật liệu CC3 có ích trong việc loại bỏ các nguyên tố phóng xạ hoặc độc hại khỏi nhiên liệu hạt nhân hoặc không khí trong các tòa nhà, cũng như trong tái chế các nguyên tố hữu ích từ chu trình nhiên liệu hạt nhân. CC3 bẫy các khí có chọn lọc cao hơn so với các vật liệu thử nghiệm khác. Ngoài ra, CC3 sử dụng ít năng lượng để thu hồi các nguyên tố hơn so với các phương pháp thông thường.

Các mô phỏng và thí nghiệm của nghiên cứu mới được thực hiện để xác định cách vật liệu CC3 có thể tách các khí xenon, krypton và radon từ khí thải hoặc chất thải. Đồng tác giả nghiên cứu Praveen Thallapally nói: "Xenon, krypton và radon là các khí hiếm, trơ về mặt hóa học. Điều đó làm cho khó tìm kiếm các vật liệu để bẫy chúng. Vì thế, chúng tôi rất ngạc nhiên khi thấy vật liệu CC3 loại bỏ dễ dàng chúng khỏi dòng khí".

Các khí hiếm rất hiếm thấy trong khí quyển nhưng một số khí như radon xuất hiện dưới các dạng phóng xạ, có thể góp phần gây ra căn bệnh ung thư. Các khí khác như xenon là khí công nghiệp hữu ích trong việc chiếu sáng thương mại, chụp ảnh y học và gây mê.

Cách thông thường để loại bỏ xenon trong không khí hoặc thu hồi nó từ nhiên liệu hạt nhân liên quan đến việc làm mát không khí ở mức thấp hơn nhiều so với điểm tại đó nước đóng băng. Việc tách khí bằng cách làm lạnh này tiêu tốn nhiều năng lượng và đắt đỏ.

Trước đây, các nhà nghiên cứu đã khám phá ra vật liệu gọi là khung hữu cơ kim loại (MOF), có thể bẫy các khí xenon và krypton mà không cần sử dụng chất làm lạnh. Mặc dù khung hữu cơ kim loại hàng đầu có thể khử tốt xenon nồng độ rất thấp và ở nhiệt độ môi trường xung quanh, nhưng các nhà nghiên cứu muốn tìm ra một vật liệu hiệu quả hơn.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã nghiên cứu vật liệu gọi là lồng hữu cơ xốp, có cấu trúc phân tử. Các lồng được chế tạo từ phân tử CC3 có kích thước phù hợp để chứa đựng 3 nguyên tử xenon, krypton hoặc radon.

Để kiểm tra CC3, nhóm nghiên cứu đã mô phỏng trên máy tính CC3 tương tác với các nguyên tử  xenon và các khí hiếm khác. Cấu trúc phân tử của CC3 nở ra và co lại một cách tự nhiên. Nhịp độ này tạo ra một lỗ hổng trong lồng rộng đến 4,5 angstrom lúc nở ra và co lại chỉ còn 3,6 angstrom. Nguyên tử xenon rộng 4,1 angstrom, có thể phù hợp với khu vực bên trong lồng nếu lồng mở đủ rộng. (Các khí Krypton và radon rộng tương ứng 3,69 angstrom và 4,17 angstrom).

Các mô phỏng bằng máy tính tiết lộ CC3 mở rộng đủ để xenon di chuyển vào bên trong. Ngoài ra, xenon có khả năng bị hút vào cao hơn là đẩy ra, do đó, các khí hiếm được bẫy bên trong lồng.

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra cách CC3 hút khí xenon và krypton nồng độ thấp ra khỏi không khí gồm hỗn hợp các khí oxy, argon, CO₂ và nitơ. Các nhà nghiên cứu đã đưa hỗn hợp khí xenon ở mức 400 phần triệu và krypton 40 phần triệu qua một mẫu CC3 và đo thời gian cần để các khí này đi sang đầu bên kia. Hỗn hợp khí trong không khí di chuyển qua CC3 và tiếp tục được đo trong thời gian 45 phút. Tuy nhiên, xenon ở trong CC3 15 phút cho thấy CC3 có thể tách xenon khỏi không khí.

Ngoài ra, CC3 còn giữ lại lượng khí xenon nhiều gấp đôi so với vật liệu khung hữu cơ kim loại hàng đầu. CC3 bẫy lượng xenon nhiều gấp 20 lần krypton, đây là đặc tính chọn lọc. Khung hữu cơ kim loại chỉ đạt tỷ lệ 7 lần. Các thí nghiệm cho thấy hiệu suất cải thiện là nhờ 2 đặc điểm quan trọng của vật liệu mới, đó là dung tích và tính chọn lọc.

Về lợi ích kinh tế, so với vật liệu khung hữu cơ kim loại thì việc sử dụng vật liệu CC3 mới ít tốn kém hơn vì CC3 họat động tốt ở nhiệt độ môi trường xung quanh, nên các qui trình dựa vào vật liệu này sử dụng ít năng lượng hơn.

Vista.vn