طورت جامعة نورث وسترن تقنية "تأرجح الرطوبة" لالتقاط الكربون المباشر في الهواء (DAC) والتي تستخدم سلسلة من الأيونات لالتقاط ثاني أكسيد الكربون عند رطوبة منخفضة وإطلاقه عند رطوبة عالية. يزيد هذا البحث من فهم DAC ويوفر طريقة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة لالتقاط الكربون من التقنيات التقليدية.
ومع تحرك المجتمع العالمي نحو إزالة الكربون من الإنتاج الصناعي، سيكون من الضروري ليس فقط منع خلق كربون جديد في الغلاف الجوي، بل وأيضا استخراج ثاني أكسيد الكربون الموجود هناك بالفعل.
في حين يركز احتجاز الكربون التقليدي على جمع ثاني أكسيد الكربون من نقطة الانبعاث في عملية كثيفة الكربون، فإن "الالتقاط المباشر للهواء" (DAC) يستخرج الكربون في ظل الظروف الجوية العادية. ويكتسب هذا النهج أهمية متزايدة في مكافحة تغير المناخ، وخاصة مع انخفاض اعتمادنا على الوقود الأحفوري وتناقص الحاجة إلى احتجاز الكربون من مصدره. وباستخدام تكنولوجيا الرطوبة، اكتشف العلماء العديد من الأيونات الجديدة التي تساهم في احتجاز الكربون منخفض الطاقة.
يوضح بحث جديد من جامعة نورث وسترن طريقة جديدة لالتقاط الكربون من الظروف المحيطة، والتي تدرس العلاقة بين الماء وثاني أكسيد الكربون في النظام، وإبلاغ تقنية "تأرجح الرطوبة" التي تلتقط ثاني أكسيد الكربون عندما تكون الرطوبة منخفضة وتطلقه عندما تكون الرطوبة عالية. تجمع هذه الطريقة بين الأساليب الحركية المبتكرة ومجموعة متنوعة من الأيونات لإزالة الكربون من أي مكان تقريبًا.
وقد نُشر البحث مؤخراً في مجلة العلوم البيئية والتكنولوجيا.
قال فيناياك بي درافيد من جامعة نورث وسترن، المؤلف الرئيسي للدراسة: "لم نقم فقط بتوسيع وتحسين اختيار أيونات احتجاز الكربون، بل ساعدنا أيضًا في الكشف عن أساسيات التفاعلات المعقدة لسطح السائل. هذا العمل يعزز فهمنا الجماعي لـ DAC، وتوفر بياناتنا وتحليلاتنا حافزًا قويًا للمنظرين والتجريبيين لمواصلة تحسين احتجاز الكربون في ظل ظروف العالم الحقيقي".
درافيد هو أستاذ أبراهام هاريس في قسم علوم وهندسة المواد في كلية ماكورميك للهندسة بجامعة نورث وسترن ومدير المبادرات العالمية في المعهد الدولي لتقنية النانو. طلاب الدكتوراه جون هيجارتي وبنجامين شيندل هم المؤلفون الأوائل لهذه الورقة.
وقال شيندل إن الفكرة وراء الورقة جاءت من الرغبة في استخدام الظروف البيئية لتعزيز الاستجابات. "نحن نحب احتجاز الكربون بالبندول الرطب لأنه ليس له تكلفة طاقة صريحة. على الرغم من أن ترطيب كمية معينة من الهواء يتطلب قدرًا معينًا من الطاقة، فمن الأفضل أن تحصل على الرطوبة "مجانًا" وتعتمد بقوة على خزان طبيعي من الهواء الرطب والجاف المجاور للبيئة."
وقام فريق البحث أيضًا بزيادة عدد الأيونات المستخدمة لجعل التفاعل ممكنًا.
وقال جون هيجارتي: "لم نقم فقط بمضاعفة عدد الأيونات التي يمكنها تحقيق احتجاز مثالي للكربون من الرطوبة، ولكننا اكتشفنا أيضًا النظام الأعلى أداءً حتى الآن".
في السنوات الأخيرة، بدأت تكنولوجيا التقاط تأرجح الرطوبة في الظهور. تستخدم طرق احتجاز الكربون التقليدية المواد الماصة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون في موقع المصدر ثم استخدام الحرارة أو الفراغ الناتج لتحرير ثاني أكسيد الكربون من المادة المازة. تكلفة الطاقة لهذا النهج مرتفعة.
تحتفظ طرق احتجاز الكربون التقليدية بثاني أكسيد الكربون، مما يعني أن هناك حاجة إلى الكثير من الطاقة لإطلاقه وإعادة استخدامه. هذا النهج لا يعمل في كل مكان أيضا. على سبيل المثال، تعد شركات الزراعة والخرسانة والصلب مصادر رئيسية للانبعاثات، ولكن آثارها الكبيرة تجعل من المستحيل احتجاز الكربون من مصدر واحد. ويتعين على البلدان الأكثر ثراء أن تسعى جاهدة إلى خفض الانبعاثات إلى ما دون الصفر، في حين يتعين على البلدان النامية ذات الاقتصاد الأكثر اعتماداً على الكربون أن تعمل على خفض إنتاجها من ثاني أكسيد الكربون.
يتمتع مؤلف بارز آخر، وهو أستاذ الكيمياء عمر فرحة، بخبرة واسعة في استكشاف دور هياكل إطار أكسيد المعدن (MOF) في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه.
وقال فرحة: "إن DAC مشكلة معقدة ومتعددة الأوجه وتتطلب نهجا متعدد التخصصات". "ما أقدره في هذا العمل هو القياسات التفصيلية والدقيقة للمعلمات المعقدة. وأي آلية مقترحة يجب أن تأخذ في الاعتبار هذه الملاحظات المعقدة."
ركز الباحثون السابقون على أيونات الكربونات والفوسفات لتعزيز محاصرة تأرجح الرطوبة وطوروا فرضيات محددة حول سبب فعالية هذه الأيونات المحددة. لكن فريق درافيد يأمل في اختبار نطاق أوسع من الأيونات لمعرفة أي منها يعمل بشكل أفضل. بشكل عام، وجدوا أن الأيونات ذات حالات التكافؤ الأعلى - الفوسفات في المقام الأول - كانت الأكثر فعالية، لذلك بدأوا في البحث عن الأيونات متعددة التكافؤ، باستثناء بعض، ووجدوا أيونات جديدة كانت فعالة لهذا التطبيق، بما في ذلك السيليكات والبورات.
يعتقد الفريق أن التجارب المستقبلية المقترنة بالنمذجة الحسابية ستساعد بشكل أفضل في تفسير سبب كون بعض الأيونات أكثر فعالية من غيرها.
وهناك بالفعل شركات تعمل على تسويق احتجاز الكربون المباشر في الهواء، باستخدام أرصدة الكربون لتحفيز الشركات على تعويض الانبعاثات. تعمل العديد من الشركات على احتجاز الكربون الذي تم احتجازه بالفعل من خلال أنشطة مثل تغيير الممارسات الزراعية، في حين أن هذا النهج يمكن أن يقوم بشكل واضح بعزل ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الغلاف الجوي، ثم تركيزه وتخزينه أو إعادة استخدامه في نهاية المطاف.
ويخطط فريق درافيد لدمج مادة احتجاز ثاني أكسيد الكربون هذه مع منصة إسفنجية مسامية قاموا بتطويرها في وقت سابق لإزالة السموم البيئية بما في ذلك النفط والفوسفات والجسيمات البلاستيكية الدقيقة.