اكتشف باحثون من جامعة ولاية واشنطن تذبذبات ذاتية الاستدامة في عملية تصنيع فيشر-تروبش، وهي طريقة صناعية رئيسية لتحويل الفحم أو الغاز الطبيعي أو الكتلة الحيوية إلى وقود سائل. ويكشف هذا الاختراق عن سلوك تذبذبي في التفاعل بدلاً من الحالة المستقرة، مما قد يؤدي إلى إنتاج وقود أكثر كفاءة ويمكن التحكم فيه. يوفر هذا الاكتشاف نهجًا جديدًا قائمًا على المعرفة لتصميم المحفز وتحسين العمليات في الصناعة الكيميائية.
حقق باحثون من جامعة ولاية واشنطن تقدمًا كبيرًا في فهم عملية تصنيع فيشر-تروبش، وهي طريقة صناعية رئيسية لتحويل الفحم أو الغاز الطبيعي أو الكتلة الحيوية إلى وقود سائل. وخلافًا للعديد من التفاعلات التحفيزية التي تظل في حالة مستقرة، فقد وجدوا أن عملية فيشر تروبش تظهر تذبذبات ذاتية الاستدامة، تتناوب بين حالات النشاط المرتفع والمنخفض.
يفتح هذا الاكتشاف، الذي نُشر في مجلة Science، إمكانية تحسين معدلات التفاعل وزيادة إنتاج المنتجات المرغوبة، مما قد يتيح إنتاج وقود أكثر كفاءة في المستقبل.
قال المؤلف المراسل نوربرت كروس، أستاذ وولاند المتميز في كلية الجينات وليندا وولاند للهندسة الكيميائية والهندسة الحيوية بجامعة غرب سيدني: "في العادة، لا ترغب الصناعة الكيميائية في حدوث تذبذبات في المعدل مع تغيرات كبيرة في درجات الحرارة بسبب مخاوف تتعلق بالسلامة. في الحالة الحالية، يمكن التحكم في التذبذبات وفهمها ميكانيكيًا جيدًا. وجود مثل هذا الأساس للفهم التجريبي والنظري يجعل نهج التطوير مختلفًا تمامًا - وهذا يسمح لنا حقًا بالحصول على النهج القائم على المعرفة، والذي سيقطع شوطا طويلا."
إعادة النظر في تصميم المحفز
على الرغم من أن عملية تصنيع فيشر-تروبش شائعة الاستخدام في إنتاج الوقود والمواد الكيميائية، إلا أن الباحثين لا يعرفون سوى القليل عن كيفية عمل عملية التحويل الحفزي المعقدة هذه. تستخدم هذه العملية محفزات لتحويل جزيئين بسيطين، الهيدروجين وأول أكسيد الكربون، إلى سلاسل جزيئية طويلة، وهي الهيدروكربونات المستخدمة على نطاق واسع في الحياة اليومية.
لأكثر من قرن من الزمان، اعتمدت مشاريع البحث والتطوير في صناعات الوقود والصناعات الكيماوية على نهج التجربة والخطأ، ولكن الآن سوف يتمكن الباحثون من تصميم المحفزات بشكل أكثر عمداً وضبط التفاعلات لتحفيز الحالات التذبذبية التي تعمل على تحسين الأداء التحفيزي.
عثر الباحثون على ظاهرة التذبذب بعد أن طرح طالب الدراسات العليا تشانغ روي مشكلة على كروس: لم يتمكن من تثبيت درجة حرارة التفاعل. وعندما درسوها معًا، اكتشفوا تذبذبات مذهلة.
لم يكتشف الباحثون فقط أن التفاعل أنتج حالة رد فعل تذبذبية، بل اكتشفوا أيضًا السبب وراء ذلك. أي أنه عندما تؤدي الحرارة الناتجة عن التفاعل إلى ارتفاع درجة الحرارة، تفقد الغازات المتفاعلة الاتصال بسطح المحفز ويتباطأ معدل التفاعل، وبالتالي تنخفض درجة الحرارة. بمجرد انخفاض درجة الحرارة بدرجة كافية، يزداد تركيز الغازات التفاعلية على سطح المحفز وتزداد سرعة التفاعل. ولذلك ترتفع درجة الحرارة وتنتهي الدورة.
النظرية والتجربة تتلاقى
في الدراسة، أظهر الباحثون التفاعل في المختبر باستخدام محفز الكوبالت شائع الاستخدام، وتم ضبطه عن طريق إضافة أكسيد السيريوم، ومن ثم وضع نموذج لكيفية عمله. قام أحد المؤلفين المشاركين، بيير غاسبارد من جامعة بروكسل الحرة، بتطوير بروتوكول التفاعل وفرض نظريًا درجات حرارة متفاوتة بشكل دوري لتكرار معدل التفاعل التجريبي والانتقائية.
وقال المؤلف المراسل يونج وانج، أستاذ ريجنت في كلية والاندر بجامعة غرب سيدني: "إنه لأمر رائع حقًا أننا تمكنا من بناء نموذج نظريًا. البيانات النظرية والبيانات التجريبية متسقة تقريبًا".
قام كروس بدراسة التفاعلات التذبذبية لأكثر من 30 عامًا. كان اكتشاف السلوك التذبذبي لتفاعل فيشر تروبش مفاجئًا، لأن التفاعل معقد للغاية من الناحية الميكانيكية.
وقال كروس: "نواجه في بعض الأحيان الكثير من النكسات في بحثنا لأن الأمور لا تسير بالطريقة التي تخيلتها، ولكن هناك أيضًا لحظات لا يمكنك وصفها". "إنه شعور بالإنجاز، لكن "الشعور بالإنجاز" أضعف من أن يصف الإثارة الناتجة عن تحقيق هذا الإنجاز الكبير."