Nhiệt phân là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về nhiệt phân

Nhiệt phân (pyrolysis) là một quá trình phân hủy hóa học của các hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của nhiệt độ cao trong điều kiện yếm khí, tức là không có sự hiện diện của oxy hoặc chỉ có lượng oxy rất nhỏ. Quá trình này khác biệt rõ rệt so với quá trình đốt cháy, nơi oxy đóng vai trò chính trong việc oxy hóa hoàn toàn vật liệu để tạo ra CO₂ và H₂O. Trong nhiệt phân, vật liệu ban đầu bị phá vỡ cấu trúc phân tử, dẫn đến sự hình thành hỗn hợp sản phẩm rắn, lỏng và khí có giá trị năng lượng và hóa học.

Nhiệt phân được xem là một trong những phản ứng nền tảng trong hóa học và công nghệ năng lượng. Ứng dụng của nó trải rộng từ việc xử lý sinh khối, sản xuất dầu sinh học, thu hồi khí tổng hợp (syngas) đến tái chế nhựa và cao su thải. Ngoài ra, quá trình này còn được khai thác trong công nghiệp hóa dầu để sản xuất các hợp chất cơ bản như ethylen, propylen, benzen, hay toluen.

Về mặt lịch sử, khái niệm nhiệt phân đã được con người ứng dụng từ hàng ngàn năm trước, ví dụ như trong việc sản xuất than củi từ gỗ. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ và yêu cầu về năng lượng sạch, nhiệt phân trở thành lĩnh vực nghiên cứu mạnh mẽ, góp phần giải quyết các vấn đề môi trường và mở ra hướng đi cho nền kinh tế tuần hoàn.

Cơ chế phản ứng của nhiệt phân

Nhiệt phân là một chuỗi phản ứng phức tạp liên quan đến sự phá vỡ liên kết hóa học trong phân tử hữu cơ. Cơ chế cơ bản có thể được chia thành ba giai đoạn: khởi phát (initiation), phát triển phản ứng (propagation), và kết thúc (termination). Ở giai đoạn khởi phát, các liên kết yếu nhất trong cấu trúc phân tử bị bẻ gãy khi năng lượng nhiệt đủ lớn, hình thành các gốc tự do có tính phản ứng cao.

Trong giai đoạn phát triển, các gốc tự do tiếp tục phản ứng với nhau hoặc với các phân tử khác, dẫn đến sự hình thành đa dạng các hợp chất trung gian. Các hợp chất này có thể ngưng tụ thành chất lỏng (tar, bio-oil), thoát ra dạng khí (CO, CO₂, H₂, CH₄), hoặc tái sắp xếp thành phần rắn chứa nhiều carbon (char). Giai đoạn kết thúc diễn ra khi các gốc tự do được ổn định, phản ứng chấm dứt.

Một ví dụ điển hình cho quá trình này là sự nhiệt phân của cellulose – thành phần chính trong sinh khối thực vật. Phương trình tổng quát có thể mô tả như sau:

$\text{(C}_6\text{H}_{10}\text{O}_5\text{)}_n \xrightarrow{\Delta} \text{Char + Tar + Gases}$

Bảng dưới đây minh họa tỷ lệ sản phẩm thu được từ nhiệt phân sinh khối tùy theo điều kiện:

Điều kiện phản ứng	Sản phẩm rắn (Char)	Sản phẩm lỏng (Bio-oil)	Sản phẩm khí
Nhiệt độ thấp (300–400 °C)	30–40%	40–50%	10–20%
Nhiệt độ trung bình (450–550 °C)	20–30%	50–60%	20–30%
Nhiệt độ cao (>600 °C)	10–20%	20–30%	50–70%

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân

Quá trình nhiệt phân chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ nhiều yếu tố vật lý và hóa học. Nhiệt độ là yếu tố quan trọng nhất, vì nó quyết định tỷ lệ phân bố sản phẩm. Ở nhiệt độ thấp, phản ứng diễn ra chậm, sản phẩm rắn nhiều hơn, trong khi ở nhiệt độ cao, quá trình cracking diễn ra mạnh mẽ, tạo ra nhiều khí hơn.

Tốc độ gia nhiệt cũng đóng vai trò quan trọng. Tốc độ gia nhiệt chậm cho phép vật liệu phân hủy từng bước, hình thành sản phẩm ổn định hơn, còn tốc độ gia nhiệt nhanh khiến các gốc tự do sinh ra nhiều và tích tụ nhanh, làm gia tăng lượng dầu sinh học và khí nhẹ.

Áp suất phản ứng cũng ảnh hưởng đến cân bằng sản phẩm. Ở áp suất cao, một số sản phẩm khí có thể ngưng tụ lại thành lỏng, trong khi áp suất thấp khuyến khích sự thoát khí nhanh hơn. Ngoài ra, bản chất của nguyên liệu (thành phần lignin, cellulose, hemicellulose trong sinh khối; loại polymer trong nhựa; hay loại than đá) cũng tạo ra sự khác biệt lớn trong cơ chế phản ứng và sản phẩm cuối cùng.

Dưới đây là danh sách tóm tắt các yếu tố chính:

• Nhiệt độ phản ứng
• Tốc độ gia nhiệt
• Áp suất
• Loại nguyên liệu đầu vào
• Thời gian lưu sản phẩm trong lò phản ứng

Phân loại nhiệt phân

Nhiệt phân có thể được phân chia thành nhiều loại tùy theo điều kiện vận hành và mục tiêu sản xuất. Ba dạng phổ biến nhất là nhiệt phân chậm, nhiệt phân nhanh và nhiệt phân siêu nhanh. Mỗi loại có ưu điểm và hạn chế riêng, phù hợp cho các mục đích công nghiệp khác nhau.

Nhiệt phân chậm thường diễn ra ở tốc độ gia nhiệt thấp (khoảng 10 °C/phút) và duy trì trong thời gian dài. Phương pháp này tạo ra nhiều than sinh học (biochar), vốn được sử dụng trong cải tạo đất nông nghiệp hoặc làm vật liệu hấp phụ. Nhiệt phân nhanh, ngược lại, sử dụng tốc độ gia nhiệt cao và thời gian phản ứng ngắn (chỉ vài giây), tập trung tối đa vào việc thu hồi dầu sinh học. Nhiệt phân siêu nhanh (flash pyrolysis) có tốc độ gia nhiệt cực nhanh, giúp tăng hiệu suất dầu sinh học lên đến 70% khối lượng nguyên liệu.

Bảng so sánh sau cho thấy sự khác biệt giữa các loại nhiệt phân:

Loại nhiệt phân	Tốc độ gia nhiệt	Thời gian phản ứng	Sản phẩm chính
Chậm	5–10 °C/phút	Vài giờ	Than sinh học (biochar)
Nhanh	100–200 °C/s	Vài giây	Dầu sinh học (bio-oil)
Siêu nhanh	>1000 °C/s	Vài mili-giây	Dầu sinh học hiệu suất cao

Ngoài ba loại trên, còn có những biến thể đặc thù như nhiệt phân xúc tác (catalytic pyrolysis), nơi xúc tác được sử dụng để kiểm soát cơ chế phản ứng, nâng cao chất lượng sản phẩm lỏng hoặc khí. Một số trường hợp khác bao gồm nhiệt phân thủy nhiệt (hydrothermal pyrolysis) dành cho sinh khối ẩm, giúp tiết kiệm năng lượng sấy khô.

Ứng dụng trong xử lý sinh khối

Sinh khối (biomass) là nguồn tài nguyên tái tạo khổng lồ bao gồm gỗ, phụ phẩm nông nghiệp, bã mía, vỏ trấu, rơm rạ, và thậm chí cả tảo. Nhiệt phân được coi là một trong những phương pháp hiệu quả nhất để chuyển hóa sinh khối thành các sản phẩm năng lượng như bio-oil, khí tổng hợp (syngas) và than sinh học (biochar). Điểm nổi bật của quá trình này là không yêu cầu nguyên liệu phải hoàn toàn khô kiệt, đồng thời cho phép xử lý nhiều loại sinh khối khác nhau, từ lignocellulose đến vi sinh vật.

Than sinh học thu được từ nhiệt phân chậm có khả năng giữ nước, cải thiện độ phì nhiêu của đất và cô lập carbon trong thời gian dài. Bio-oil từ nhiệt phân nhanh có thể sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu lỏng hoặc tiếp tục tinh chế để sản xuất nhiên liệu sinh học thế hệ hai. Khí sinh ra trong quá trình này (chủ yếu là CO, H₂, CH₄) cũng có thể được đốt để cung cấp năng lượng cho chính lò phản ứng, giúp tăng hiệu quả năng lượng tổng thể.

Theo U.S. Department of Energy, công nghệ nhiệt phân sinh khối đóng vai trò trung tâm trong chiến lược phát triển năng lượng sinh học bền vững. Một số nghiên cứu gần đây còn tập trung vào việc kết hợp nhiệt phân với các quá trình nâng cấp xúc tác để cải thiện chất lượng dầu sinh học, giảm hàm lượng oxy và tăng độ ổn định hóa học.

• Sinh khối gỗ → Bio-oil, Biochar, Syngas
• Phụ phẩm nông nghiệp → Phân bón sinh học, năng lượng
• Tảo → Dầu sinh học giàu hydrocarbon

Nhiệt phân nhựa và chất thải nhựa

Chất thải nhựa là một trong những thách thức môi trường lớn nhất hiện nay do tính bền vững cao và khả năng phân hủy sinh học thấp. Nhiệt phân mở ra một con đường tái chế hóa học, biến nhựa thải thành các sản phẩm có giá trị như dầu, khí và than. Khác với tái chế cơ học vốn chỉ áp dụng được cho một số loại nhựa, nhiệt phân có thể xử lý hỗn hợp nhựa đa dạng, kể cả nhựa khó tái chế như polyetylen (PE), polypropylene (PP), và polystyrene (PS).

Nhiệt phân nhựa ở nhiệt độ khoảng 400–600 °C thường tạo ra dầu có thể sử dụng như nguyên liệu trong lọc dầu hoặc sản xuất hóa chất cơ bản. Khí sinh ra cũng có thể được đốt tái sử dụng. Than còn lại có thể dùng làm phụ gia trong công nghiệp vật liệu. Các nghiên cứu đăng trên Waste Management Journal cho thấy hiệu suất thu hồi dầu có thể đạt tới 70% khối lượng đầu vào, phụ thuộc vào điều kiện phản ứng.

Một số ưu điểm của phương pháp này gồm:

1. Giảm lượng nhựa chôn lấp và ô nhiễm môi trường.
2. Tạo ra nhiên liệu thay thế dầu mỏ truyền thống.
3. Tận dụng các loại nhựa khó tái chế cơ học.

Tuy nhiên, để triển khai ở quy mô công nghiệp, cần giải quyết vấn đề chi phí, kiểm soát khí thải, và nâng cao chất lượng sản phẩm lỏng.

Nhiệt phân than đá và hydrocarbon

Trong công nghiệp năng lượng truyền thống, nhiệt phân than đá và các hợp chất hydrocarbon đóng vai trò quan trọng. Than khi được nhiệt phân ở 450–700 °C sẽ tạo ra khí than (coal gas), nhựa than (coal tar) và cốc (coke). Đây là các sản phẩm nền tảng cho ngành luyện kim, hóa chất và sản xuất nhiên liệu.

Khí tổng hợp (syngas) từ quá trình này có thành phần chính là CO và H₂, được coi là nguồn nguyên liệu đa năng. Syngas có thể dùng trực tiếp làm nhiên liệu hoặc chuyển hóa thông qua quá trình Fischer–Tropsch để sản xuất methanol, xăng tổng hợp và nhiều hóa chất hữu cơ khác. Trong ngành lọc dầu, quá trình nhiệt phân cũng là cơ sở để bẻ gãy các hydrocarbon nặng thành olefin nhẹ, phục vụ sản xuất nhựa và hóa chất.

Sản phẩm từ nhiệt phân than và dầu mỏ được phân loại như sau:

Sản phẩm	Ứng dụng
Khí than / Syngas	Nhiên liệu đốt, nguyên liệu tổng hợp hóa học
Nhựa than (Coal tar)	Sản xuất benzen, toluen, naphthalen
Cốc (Coke)	Luyện kim, sản xuất thép

Tác động môi trường và phát triển bền vững

Nhiệt phân có tiềm năng giảm thiểu tác động môi trường bằng cách chuyển hóa chất thải thành sản phẩm hữu ích và hạn chế phát thải khí nhà kính so với chôn lấp hay đốt trực tiếp. Việc tạo ra biochar từ sinh khối có thể góp phần cô lập carbon lâu dài trong đất, đồng thời cải thiện chất lượng đất và giảm sử dụng phân bón hóa học.

Tuy nhiên, nếu không kiểm soát tốt, quá trình này có thể phát sinh các hợp chất độc hại như polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) hoặc hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs). Do đó, thiết kế hệ thống lò phản ứng hiện đại với cơ chế xử lý khí thải và thu hồi năng lượng là điều kiện bắt buộc để đảm bảo tính bền vững.

Xu hướng hiện nay là tích hợp nhiệt phân vào các mô hình kinh tế tuần hoàn, trong đó sản phẩm thu hồi được tái sử dụng trong nhiều chuỗi giá trị khác nhau, từ nông nghiệp đến công nghiệp hóa dầu.

Công nghệ và thiết bị nhiệt phân hiện đại

Hiện nay có nhiều loại lò phản ứng nhiệt phân được ứng dụng, tùy thuộc vào loại nguyên liệu và mục tiêu sản phẩm. Lò fixed bed (tầng cố định) có cấu trúc đơn giản, phù hợp cho thí nghiệm hoặc quy mô nhỏ. Lò fluidized bed (tầng sôi) cung cấp khả năng truyền nhiệt tốt, thường dùng cho nhiệt phân nhanh sinh khối. Ngoài ra, lò rotary kiln (lò quay) và lò vi sóng cũng đang được phát triển nhằm cải thiện hiệu quả phản ứng và giảm tiêu hao năng lượng.

Công nghệ nhiệt phân xúc tác là một hướng đi nổi bật, trong đó các xúc tác zeolit hoặc kim loại được sử dụng để điều chỉnh quá trình cracking, tăng chất lượng dầu sinh học và giảm sản phẩm phụ không mong muốn. Một số nghiên cứu cũng tập trung vào việc sử dụng năng lượng mặt trời tập trung (solar pyrolysis) như một nguồn nhiệt thay thế, nhằm giảm lượng khí thải carbon từ quá trình.

Trong công nghiệp, việc tích hợp hệ thống nhiệt phân với các quá trình khác như khí hóa (gasification) hoặc hydro xử lý (hydrotreating) đang mở ra nhiều hướng phát triển. Những tổ hợp công nghệ này hứa hẹn mang lại hiệu suất cao hơn và sản phẩm có giá trị kinh tế lớn hơn.

Kết luận

Nhiệt phân là một công nghệ đa năng, đóng vai trò quan trọng trong cả lĩnh vực xử lý chất thải, sản xuất năng lượng tái tạo, và công nghiệp hóa dầu. Nhờ khả năng chuyển đổi nguyên liệu rẻ tiền hoặc chất thải thành sản phẩm có giá trị, nhiệt phân vừa góp phần giải quyết vấn đề môi trường, vừa thúc đẩy phát triển kinh tế tuần hoàn. Tương lai của công nghệ này phụ thuộc vào việc tối ưu hóa thiết bị, giảm chi phí, nâng cao hiệu quả năng lượng và kiểm soát tốt các yếu tố môi trường.

Tài liệu tham khảo

1. U.S. Department of Energy. "Pyrolysis." https://www.energy.gov/eere/bioenergy/pyrolysis
2. Williams, P. T., "Pyrolysis of waste plastics: A review." Waste Management, 2021. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956053X21002058
3. Bridgwater, A. V., "Review of fast pyrolysis of biomass and product upgrading." Biomass and Bioenergy, 2012. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2012.01.048
4. Demirbas, A., "Pyrolysis of Biomass for Fuels and Chemicals." Energy Sources, 2006. https://doi.org/10.1080/009083190881472
5. Adjaye, J. D., Bakhshi, N. N., "Production of hydrocarbons by catalytic upgrading of a fast pyrolysis bio-oil. Part I: Conversion over various catalysts." Fuel Processing Technology, 1995. https://doi.org/10.1016/0378-3820(95)00042-9
6. Gollakota, A. R. K., Kishore, N., Gu, S., "A review on hydrothermal liquefaction of biomass." Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.09.118