وسط الجهود العالمية للحد من انبعاثات الغازات الدفيئة، يركز علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على تكنولوجيا احتجاز الكربون لإزالة الكربون من الانبعاثات الصناعية الأكثر تحديًا. يمكن لهذه النتائج، المستندة إلى عملية كهروكيميائية واحدة، أن تساعد في تقليل الانبعاثات الصادرة عن الصناعات الأكثر صعوبة في إزالة الكربون، مثل الصلب والأسمنت.
كشف الباحثون عن كيفية التقاط وتحويل ثاني أكسيد الكربون من خلال عملية كهروكيميائية واحدة. في هذه العملية، يتم استخدام الأقطاب الكهربائية (مثل تلك المغطاة بالفقاعات في الصورة) لامتصاص ثاني أكسيد الكربون المنبعث من المادة المازة وتحويله إلى منتج محايد للكربون. مصدر الصورة: جون فريدا/MITMechE
يصعب بشكل خاص إزالة الكربون من صناعات مثل الصلب والأسمنت والتصنيع الكيميائي بسبب استخدامها المتأصل للكربون والوقود الأحفوري في عمليات الإنتاج. وإذا أمكن تطوير التكنولوجيا لالتقاط انبعاثات الكربون وإعادة استخدامها في عملية الإنتاج، فسوف يكون من الممكن خفض الانبعاثات الناجمة عن هذه الصناعات "التي يصعب تخفيفها" بشكل كبير.
ومع ذلك، فإن التقنيات التجريبية الحالية لالتقاط وتحويل ثاني أكسيد الكربون هما عمليتان منفصلتان تتطلبان في حد ذاتها كميات كبيرة من الطاقة لتشغيلهما. ويأمل فريق البحث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في الجمع بين العمليتين في نظام متكامل وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة ويمكنه استخدام الطاقة المتجددة لالتقاط وتحويل ثاني أكسيد الكربون من الموارد الصناعية المركزة.
أحدث نتائج الأبحاث حول احتجاز الكربون وتحويله
في دراسة نشرت في 5 سبتمبر في مجلة ACSCatalation، كشف الباحثون عن القوة الخفية لكيفية احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتحويله من خلال عملية كهروكيميائية واحدة. تتضمن العملية استخدام أقطاب كهربائية لامتصاص ثاني أكسيد الكربون المنبعث من المادة الممتزة وتحويله إلى شكل مخفض وقابل لإعادة الاستخدام.
وقد أبلغ آخرون عن مظاهرات مماثلة، ولكن الآلية التي تحرك التفاعل الكهروكيميائي لا تزال غير واضحة. أجرى فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا العديد من التجارب لتحديد هذا المحرك ووجد أنه في النهاية يعتمد على الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون. بمعنى آخر، كلما كان ثاني أكسيد الكربون ملامسًا للقطب أنقى، زادت كفاءة القطب في التقاط وتحويل جزيئات ثاني أكسيد الكربون.
إن فهم هذا المحرك الأساسي، أو "الأنواع النشطة"، يمكن أن يساعد العلماء على ضبط وتحسين الأنظمة الكهروكيميائية المماثلة لالتقاط وتحويل ثاني أكسيد الكربون بكفاءة في عملية متكاملة.
تشير نتائج هذه الدراسة إلى أنه على الرغم من أن هذه الأنظمة الكهروكيميائية قد لا تكون مناسبة للبيئات النادرة جدًا (على سبيل المثال، التقاط وتحويل انبعاثات الكربون مباشرة من الهواء)، إلا أنها مناسبة تمامًا للتركيزات العالية من الانبعاثات الناتجة عن العمليات الصناعية، خاصة تلك التي لا توجد لها بدائل متجددة واضحة.
قال مؤلف الدراسة بيتار جالانت، أستاذ مشارك في التطوير الوظيفي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عام 1922: "يمكننا، بل وينبغي علينا، التحول إلى الطاقة المتجددة لتوليد الكهرباء. لكن إزالة الكربون بشكل عميق من صناعات مثل إنتاج الأسمنت أو الصلب يمثل تحديًا وسيستغرق وقتًا أطول. حتى لو أوقفنا جميع محطات الطاقة، سنحتاج إلى بعض الحلول لمعالجة الانبعاثات في الصناعات الأخرى على المدى القصير قبل أن نتمكن من إزالة الكربون بالكامل من تلك الصناعات. هذا هو المكان الذي نرى فيه نقطة جيدة، وشيء مثل هذا النظام يمكن أن يتناسب مع تلك النقطة الجيدة."
من بين المؤلفين المشاركين في الدراسة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا المؤلف الرئيسي، باحث ما بعد الدكتوراه جراهام ليفيريك وطالبة الدراسات العليا إليزابيث بيرنهاردت، بالإضافة إلى أثيا إلياني-إيسي من جامعة صنواي في ماليزيا. عائشة إلياني إسماعيل، وجون هوي لو، وعارف عارف الزمان، ومحمد خير الدين عروة.
تعرف على عملية احتجاز الكربون
تم تصميم تقنية احتجاز الكربون لالتقاط الانبعاثات أو "المداخن" من مداخن محطات الطاقة ومنشآت التصنيع. يتم توجيه الانبعاثات، في المقام الأول من خلال التعديلات التحديثية الكبيرة، إلى غرفة تحتوي على محلول "التقاط" (خليط من الأمينات أو المركبات الأمينية التي تتحد كيميائيًا مع ثاني أكسيد الكربون لتكوين شكل مستقر يمكن فصله عن بقية غاز المداخن).
تتم بعد ذلك معالجة ثاني أكسيد الكربون المحتجز بدرجات حرارة عالية، غالبًا باستخدام البخار المتولد من الوقود الأحفوري، لتحرير ثاني أكسيد الكربون المحتجز من روابطه الأمينية. يمكن ضخ غاز ثاني أكسيد الكربون النقي إلى صهاريج التخزين أو تحت الأرض، أو تمعدنه أو تحويله إلى مواد كيميائية أو وقود.
ويشير جالانت إلى أن "التقاط الكربون هو تقنية ناضجة، ويبلغ عمر الكيمياء حوالي 100 عام، ولكنها تتطلب منشآت كبيرة حقًا، كما أن تشغيلها مكلف للغاية ويستهلك الكثير من الطاقة". "ما نحتاج إليه هو المزيد من التكنولوجيا المعيارية والمرونة التي يمكنها التكيف مع مصادر أكثر تنوعًا لثاني أكسيد الكربون. ويمكن للأنظمة الكهروكيميائية أن تساعد في حل هذه المشكلة."
تعمل مجموعتها البحثية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على تطوير نظام كهروكيميائي يمكنه إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون المحتجز وتحويله إلى منتجات مخفضة وقابلة للاستخدام. وأضافت أن مثل هذا النظام المتكامل، وليس النظام المنفصل، يمكن تشغيله بالكامل بالطاقة المتجددة بدلاً من البخار المولد من الوقود الأحفوري.
يتمحور مفهومهم حول قطب كهربائي يمكن أن يتناسب مع تجويف محلول احتجاز الكربون الموجود. عندما يتم تطبيق الجهد على القطب، تتدفق الإلكترونات نحو الشكل النشط لثاني أكسيد الكربون ويتم تحويلها إلى منتجات باستخدام البروتونات المتوفرة من الماء. بهذه الطريقة، يمكن للممتز أن يمتص المزيد من ثاني أكسيد الكربون بدلاً من استخدام البخار لامتصاص ثاني أكسيد الكربون.
وقد أظهر جالانت سابقًا أن هذه العملية الكهروكيميائية يمكنها احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى شكل كربونات صلب. وقالت: "لقد أظهرنا في مفاهيم مبكرة جدًا أن هذه العملية الكهروكيميائية ممكنة". "ومنذ ذلك الحين، كانت هناك دراسات أخرى ركزت على استخدام هذه العملية لمحاولة إنتاج مواد كيميائية وأنواع وقود مفيدة. ولكن كان هناك تفسير غير متسق لكيفية عمل هذه التفاعلات."
دور "ثاني أكسيد الكربون وحده"
في الدراسة الجديدة، استخدم فريق البحث في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عدسة مكبرة لمراقبة التفاعلات المحددة التي تحرك العمليات الكهروكيميائية. وفي المختبر، أنتجوا محاليل أمينية مشابهة لمحاليل الالتقاط الصناعية المستخدمة لاستخراج ثاني أكسيد الكربون من غازات المداخن. قاموا بشكل منهجي بتنويع الخصائص المختلفة لكل محلول، مثل الرقم الهيدروجيني والتركيز ونوع الأمين، ثم مرروا كل محلول من خلال قطب كهربائي فضي، وهو معدن يستخدم على نطاق واسع في أبحاث التحليل الكهربائي ومعروف بقدرته على تحويل ثاني أكسيد الكربون بكفاءة إلى أول أكسيد الكربون. ثم قاموا بقياس تركيز أول أكسيد الكربون المحول في نهاية التفاعل وقارنوا هذا الرقم مع تركيز كل من المحاليل الأخرى التي اختبروها لتحديد المعلمة التي لها التأثير الأكبر على كمية أول أكسيد الكربون المنتجة.
في النهاية، وجدوا أن ما يهم أكثر لم يكن نوع الأمين المستخدم لالتقاط ثاني أكسيد الكربون في المقام الأول، كما يظن الكثيرون. بل الأهم هو تركيز جزيئات ثاني أكسيد الكربون الحرة العائمة في المحلول الذي يتجنب الارتباط بالأمينات. يحدد "ثاني أكسيد الكربون وحده" التركيز النهائي لأول أكسيد الكربون المنتج.
وقال ليفيريك: "لقد وجدنا أن ثاني أكسيد الكربون هذا يتفاعل بسهولة أكبر من ثاني أكسيد الكربون الذي تلتقطه الأمينات". "وهذا يخبر الباحثين المستقبليين أن هذه العملية ممكنة في التدفقات الصناعية ويمكنها التقاط تركيزات عالية من ثاني أكسيد الكربون بكفاءة وتحويلها إلى مواد كيميائية ووقود مفيد."
ويؤكد جالانت أن "هذه ليست تقنية إزالة، وهو أمر مهم". "إن القيمة التي تجلبها هي أنها تسمح لنا بإعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون عدة مرات مع الحفاظ على العمليات الصناعية الحالية، وبالتالي تقليل الانبعاثات المرتبطة بها. وفي النهاية، حلمي هو استخدام الأنظمة الكهروكيميائية لتعزيز تمعدن ثاني أكسيد الكربون وتخزينه الدائم، وهي تقنية إزالة حقيقية. هذه رؤية طويلة المدى. والكثير من العلوم التي بدأنا نفهمها هي الخطوة الأولى في تصميم هذه العمليات."