استخدم الباحثون طريقة منخفضة الانبعاثات لاستخراج الهيدروجين والجرافين من نفايات البلاستيك. ويقولون إن هذا لا يحل المشكلات البيئية مثل التلوث البلاستيكي وإنتاج الغازات الدفيئة فحسب، بل إن قيمة منتج الجرافين الثانوي يمكن أن تعوض تكلفة إنتاج الهيدروجين. يمكن استخدام الهيدروجين لتشغيل السيارات وتوليد الكهرباء وتدفئة المنازل والشركات. يحتوي الهيدروجين على طاقة أكبر لكل وحدة وزن من الوقود الأحفوري، وهو أمر مهم من منظور بيئي لأن السبب الرئيسي لانبعاثات الغازات الدفيئة العالمية هو ثاني أكسيد الكربون المنطلق عن طريق حرق الوقود الأحفوري.
يتم تصنيع أكثر من 95% من الهيدروجين المباع حاليًا من خلال إعادة تشكيل الميثان بالبخار، مما ينتج 11 طنًا (12 طنًا) من ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الهيدروجين، والغالبية العظمى منه عبارة عن هيدروجين رمادي. وبالمقارنة، فإن "الهيدروجين الأخضر" الذي يتم إنتاجه باستخدام مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح أو الماء لفصل الماء إلى عناصره يعد باهظ الثمن، حيث يكلف حوالي 5 دولارات لكل رطلين (حوالي كيلوغرام واحد) من الهيدروجين.
طور باحثون من جامعة رايس الآن طريقة لاستخلاص الهيدروجين والجرافين الثمين من نفايات البلاستيك باستخدام طريقة منخفضة الانبعاثات وخالية من المحفزات ولديها القدرة على تغطية تكاليفها بنفسها.
وقال كيفن ويس، المؤلف الأول للدراسة: "في هذا العمل، نقوم بتحويل نفايات البلاستيك، بما في ذلك نفايات البلاستيك المختلطة التي لا تحتاج إلى فرز حسب النوع أو تنظيفها، إلى هيدروجين عالي الإنتاجية وجرافين عالي القيمة". "إذا تم بيع الجرافين المنتج مقابل 5% فقط من القيمة السوقية الحالية - أي بخصم 95%! - فيمكن إنتاج الهيدروجين النظيف مجانًا".
في عملية إصلاح البخار والميثان، يتم استخدام البخار ذو درجة الحرارة العالية (1292 درجة فهرنهايت إلى 1832 درجة فهرنهايت / 700 درجة مئوية إلى 1000 درجة مئوية) لإنتاج الهيدروجين من مصادر الميثان مثل الغاز الطبيعي. يتفاعل الميثان مع البخار تحت تأثير المحفز لإنتاج الهيدروجين وأول أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون.
قال جيمس تور، أحد مؤلفي الدراسة: "إن الشكل الرئيسي للهيدروجين المستخدم حاليًا هو الهيدروجين "الرمادي"، الذي يتم إنتاجه عن طريق إعادة تشكيل الميثان بالبخار، وهي طريقة تنتج كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون. ومن المرجح أن يرتفع الطلب على الهيدروجين في العقود المقبلة، لذلك إذا أردنا حقًا تحقيق صافي انبعاثات صفرية بحلول عام 2050، فلن نتمكن من إنتاج الهيدروجين باستخدام الطرق الحالية حتى الآن".
تستمر النفايات البلاستيكية في البيئة لفترات طويلة من الزمن، مما يهدد الحياة البرية وينشر السموم إلى الحيوانات والبشر. في الدراسة الحالية، قام الباحثون بتعريض نفايات البلاستيك لتسخين جول سريع لمدة 4 ثوانٍ تقريبًا. عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 3100 كلفن، يتبخر الهيدروجين الموجود في البلاستيك، تاركًا وراءه الجرافين، وهي مادة خفيفة الوزن ومتينة تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون. يمكن استخدام الجرافين في مجالات مثل الإلكترونيات، وتخزين الطاقة، وأجهزة الاستشعار، والطلاءات، والمواد المركبة، والأجهزة الطبية الحيوية، على سبيل المثال لا الحصر من تطبيقاته.
وقال ويس: "عندما اكتشفنا تسخين جول الفلاش لأول مرة وقمنا بتطبيقه لإعادة تدوير نفايات البلاستيك إلى جرافين، لاحظنا إنتاج كميات كبيرة من الغازات المتطايرة وإخراجها من المفاعل". "أردنا أن نعرف ما هي، ونشتبه في أنها عبارة عن خليط من الهيدروكربونات الصغيرة والهيدروجين، لكننا نفتقر إلى الأجهزة اللازمة لدراسة تركيبها الدقيق."
وبتمويل من فيلق المهندسين بالجيش الأمريكي، حصل الباحثون على المعدات اللازمة لتحليل محتويات التغويز، واكتشفوا لاحقًا أن شكوكهم كانت صحيحة: حيث أنتجت العملية الهيدروجين.
"على سبيل المثال، نحن نعلم أن البولي إيثيلين يتكون من 86% من الكربون و14% من الهيدروجين، وقد أظهرنا أنه يمكننا استعادة ما يصل إلى 68% من الهيدروجين الذري الموجود فيه كغاز بدرجة نقاء تبلغ 94%. بالنسبة لي، كان تطوير الأساليب والخبرات لتوصيف وقياس جميع الغازات المنتجة بهذه الطريقة، بما في ذلك الهيدروجين، عملية صعبة ولكنها مجزية".
ويقول الباحثون إن طريقتهم تنتج انبعاثات أقل من طرق إنتاج الهيدروجين الأخرى، بناءً على تقييم دورة الحياة. تقييم دورة الحياة هو أسلوب يستخدم لتحليل التأثير البيئي الشامل ومتطلبات الموارد المرتبطة بطرق الإنتاج.
بالمقارنة مع طرق إنتاج الهيدروجين الأخرى من نفايات البلاستيك أو تفكيك الكتلة الحيوية، توفر عملية إنتاج الهيدروجين الوميض تحسينات في كل من متطلبات الطاقة التراكمية (تخفيض الطاقة بنسبة 33-95%) وانبعاثات الغازات الدفيئة (خفض الانبعاثات بنسبة 65-89%). يقول الباحثون إن فائدة عملية التسخين الوميضية هي أن نفايات البلاستيك لا تحتاج إلى تنظيف أو فصل، مما يسمح باستخدام المواد الخردة لإنتاج هيدروجين نظيف بتكلفة سلبية. إنهم يخططون لمزيد من الفهم لآلية تسخين فلاش جول لتحسين قابليتها للتوسع وتحسين إنتاج الهيدروجين.