علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
A simple, cheap material for carbon capture, perhaps from tailpipes
(Robert Sanders, University of California – Berkeley _ بقلم: روبرت ساندرز، جامعة كاليفورنيا – بيركلي)
ملخص المقالة:
في مشروع تعاوني، ابتكر كيميائيون من جامعة كاليفورنيا في بيركلي وجامعة ستانفورد وجامعة تكساس إيه أند إم طريقة رخيصة وسهلة وموفرة للطاقة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من المداخن، وهو هدف رئيسي للولايات المتحدة والدول الأخرى في سعيهم للحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. وتتطلب الطريقة – بشكل أساسي – مسحوق الميلامين الجاهز إلى جانب الفورمالديهايد وحمض السيانوريك الذي يضاف بالكلور إلى حمامات السباحة.
( المقالة )
باستخدام بوليمر غير مكلف يسمى الميلامين – المكون الرئيسي للفورميكا – ابتكر الكيميائيون طريقة رخيصة وسهلة وموفرة للطاقة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من المداخن، وهو هدف رئيسي للولايات المتحدة والدول الأخرى في سعيهم للحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري.
ومن المحتمل أن يتم تقليص عملية تصنيع مادة الميلامين، التي نُشرت هذا الأسبوع (5 اغسطس 2022) في مجلة “ساينس ادفانس” (Science Advances)، لالتقاط الانبعاثات من عادم المركبات أو المصادر المنقولة الأخرى لثاني أكسيد الكربون. ويشكل ثاني أكسيد الكربون الناتج عن احتراق الوقود الأحفوري حوالي 75٪ من جميع غازات الدفيئة المنتجة في الولايات المتحدة.
والمواد الجديدة سهلة الصنع، وتتطلب بشكل أساسي مسحوق الميلامين الجاهز – والذي يكلف اليوم حوالي 40 دولارًا للطن – إلى جانب الفورمالديهايد وحمض السيانوريك، وهي مادة كيميائية لها استخدامات أخرى، حيث تُضاف بالكلور إلى حمامات السباحة.
“أردنا التفكير في مادة لاحتجاز الكربون مشتقة من مصادر رخيصة جدًا ويسهل الحصول عليها. وهكذا، قررنا أن نبدأ بالميلامين”، كما قال البروفيسور جيفري رايمر، أستاذ كلية الدراسات العليا في قسم الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية في جامعة كاليفورنيا في بيركلي، وأحد مؤلفي الورقة البحثية.
وتلتقط ما يسمى بشبكة الميلامين المسامية ثاني أكسيد الكربون بكفاءة مماثلة للنتائج المبكرة لمادة أخرى حديثة نسبيًا لالتقاط الكربون، أو الأطر العضوية المعدنية. وقد أنشأ الكيميائيون في جامعة كاليفورنيا في بيركلي أول أطر عضوية معدنية لالتقاط الكربون في عام 2015، وأثبتت الإصدارات اللاحقة أنها أكثر كفاءة في إزالة ثاني أكسيد الكربون من غازات المداخن، مثل تلك الموجودة في محطة طاقة تعمل بالفحم.
ولكن الدكتورة هايان ماو، زميل ما بعد الدكتوراه بجامعة كاليفورنيا في بيركلي والمؤلف الأول للورقة البحثية، قالت إن المواد القائمة على الميلامين تستخدم مكونات أرخص بكثير، ويسهل صنعها وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة من معظم الأطر العضوية المعدنية. وتعني التكلفة المنخفضة للميلامين المسامي أنه يمكن استخدام تلك المادة على نطاق واسع.
وتابعت الدكتورة ماو: “في هذه الدراسة، ركزنا على تصميم المواد الأرخص للالتقاط والتخزين وتوضيح آلية التفاعل بين ثاني أكسيد الكربون والمواد. يخلق هذا العمل طريقة تصنيع عامة نحو التقاط مستدام لثاني أكسيد الكربون باستخدام شبكات مسامية. نأمل أن نتمكن من تصميم ملحق مستقبلي لالتقاط غاز عادم السيارة، أو ربما ملحق بمبنى أو حتى طلاء على سطح الأثاث”.
والعمل هو تعاون بين مجموعة في جامعة كاليفورنيا في بيركلي بقيادة البروفيسور رايمر؛ مجموعة في جامعة ستانفورد بقيادة البروفيسور يي كوي، مدير معهد بريكورت للطاقة، وأستاذ كرسي “سومورجاي” الزائر ميلر في جامعة كاليفورنيا في بيركلي، وزميل ما بعد الدكتوراه في جامعة كاليفورنيا في بيركلي؛ أستاذ جامعة كاليفورنيا في بيركلي في كلية الدراسات العليا البروفيسور الكسندر باينز؛ ومجموعة في جامعة تكساس إيه أند إم بقيادة البروفيسور هونغ كاي تشو. والمؤلف الأول المشارك مع الدكتور ماو هو جينغ تانغ، زميل ما بعد الدكتوراه في جامعة ستانفورد ومركز ستانفورد للمسرعات الخطية وباحث زائر في جامعة كاليفورنيا في بيركلي.
حياد الكربون بحلول عام 2050
في حين أن القضاء على احتراق الوقود الأحفوري أمر ضروري لوقف تغير المناخ، فإن الاستراتيجية المؤقتة الرئيسية هي التقاط انبعاثات ثاني أكسيد الكربون – الغاز الرئيسي للاحتباس الحراري – وتخزين الغاز تحت الأرض أو تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى منتجات قابلة للاستخدام. وأعلنت وزارة الطاقة الأمريكية بالفعل عن مشاريع يبلغ مجموعها 3.18 مليار دولار لتعزيز التقنيات المتقدمة والقابلة للتطوير تجاريًا لالتقاط الكربون واستخدامه وعزله (CCUS) للوصول إلى هدف طموح لكفاءة احتجاز غاز المداخن ثاني أكسيد الكربون بنسبة 90٪. والهدف النهائي للولايات المتحدة هو صافي صفري لانبعاثات الكربون بحلول عام 2050.
ولكن احتجاز الكربون أبعد ما يكون عن الجدوى التجارية. وتتضمن التقنية الأفضل – اليوم – ضخ غازات المداخن عبر الأمينات السائلة التي تربط غاز ثاني أكسيد الكربون. ولكن هذا يتطلب كميات كبيرة من الطاقة لإطلاق ثاني أكسيد الكربون بمجرد ارتباطه بالأمينات، بحيث يمكن تركيزه وتخزينه تحت الأرض. ويجب تسخين خليط الأمين إلى ما بين 120 و 150 درجة مئوية (250-300 درجة فهرنهايت) لاعادة تكوين أكسيد الكربون.
في المقابل، تلتقط شبكة الميلامين المسامية مع “ديتا” وتعديلات حمض السيانوريك ثاني أكسيد الكربون عند حوالي 40 درجة مئوية، أعلى قليلاً من درجة حرارة الغرفة، وتطلقه عند 80 درجة مئوية، تحت نقطة غليان الماء. وتأتي توفيرات الطاقة من عدم الاضطرار إلى تسخين المادة إلى درجات حرارة عالية.
وفي بحثه، ركز فريق بيركلي / ستانفورد / تكساس على بوليمر الميلامين الشائع، والذي لا يستخدم فقط في الفورميكا ولكن أيضًا في أواني الطعام والأواني الرخيصة والطلاء الصناعي ومواد بلاستيكية أخرى. إن معالجة مسحوق الميلامين بالفورمالديهايد – وهو ما فعله الباحثون بكميات بالكيلوغرام – يخلق مسام نانوية في الميلامين اعتقد الباحثون أنها ستمتص ثاني أكسيد الكربون.
وقال الدكتورة ماو إن الاختبارات أكدت أن الميلامين المعالج بالفورمالديهايد يمتص ثاني أكسيد الكربون إلى حد ما، ولكن يمكن تحسين الامتصاص بشكل كبير عن طريق إضافة مادة كيميائية أخرى تحتوي على أمين، وهي ديتا (ثنائي إيثيلين تريامين)، لربط ثاني أكسيد الكربون. وقد وجدت هي وزملاؤها لاحقًا أن إضافة حمض السيانوريك أثناء تفاعل البلمرة أدى إلى زيادة حجم المسام بشكل كبير وتحسين كفاءة التقاط ثاني أكسيد الكربون بشكل جذري: وتم امتصاص كل ثاني أكسيد الكربون تقريبًا في خليط غاز مداخن محاكى في غضون حوالي 3 دقائق.
وقد سمحت إضافة حمض السيانوريك أيضًا باستخدام المادة مرارًا وتكرارًا.
وأجرت الدكتورة ماو وزملاؤها دراسات بالرنين المغناطيسي النووي للحالة الصلبة لفهم كيفية تفاعل حمض السيانوريك و “ديتا” لجعل التقاط الكربون فعالاً للغاية. وأظهرت الدراسات أن حمض السيانوريك يشكل روابط هيدروجينية قوية مع شبكة الميلامين التي تساعد على استقرار “ديتا”، مما يمنعه من التسرب من مسام الميلامين أثناء الدورات المتكررة لالتقاط الكربون واعادة تكوينه.
“ما تمكنت الدكتورة هايان ماو وزملاؤها من إظهاره باستخدام هذه التقنيات الأنيقة هو بالضبط كيف تختلط هذه المجموعات، وكيف يتفاعل ثاني أكسيد الكربون معها بالضبط، وأنه في وجود حمض السيانوريك الذي يفتح المسام، فإنها قادرة على تدوير وإيقاف ثاني أكسيد الكربون مرات بسعة جيدة حقًا”، كما قال البروفيسور رايمر. وأضاف: “والمعدل الذي يتم فيه امتصاص ثاني أكسيد الكربون سريع جدًا في الواقع، بالنسبة إلى بعض المواد الأخرى. لذلك، تم استيفاء جميع الجوانب العملية على نطاق المختبر لهذه المادة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون، وهي رخيصة للغاية وسهلة الصنع”.
وقالت الدكتورة ماو: “باستخدام تقنيات الرنين المغناطيسي النووي في الحالة الصلبة، أوضحنا بشكل منهجي في تفاصيل غير مسبوقة على المستوى الذري آلية تفاعل الشبكات غير المتبلورة مع ثاني أكسيد الكربون”. وتابعت: “بالنسبة لمجتمع الطاقة والبيئة، يُنشئ هذا العمل عائلة شبكة عالية الأداء وذات حالة صلبة جنبًا إلى جنب مع فهم شامل للآليات، ولكنه يشجع أيضًا على تطوير أبحاث المواد المسامية من طرق التجربة والخطأ إلى خطوات تعديل عقلانية – خطوة بخطوة – على المستوى الذري”.
وقد تواصلت مجموعات البروفيسور ريمير والبروفيسور كوي لتعديل حجم المسام ومجموعات الأمين لتحسين كفاءة التقاط الكربون لشبكات الميلامين المسامية، مع الحفاظ على كفاءة الطاقة. ويتضمن ذلك استخدام تقنية تسمى الكيمياء التجميعية الديناميكية لتغيير نسب المكونات لتحقيق فعالية وقابلة للتطوير وقابلة لإعادة التدوير وعالية السعة لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون.
وقد تعاون البروفيسور رايمر والدكتورة ماو أيضًا بشكل وثيق مع مجموعة البروفيسور كوي في جامعة ستانفورد لتجميع أنواع أخرى من المواد، بما في ذلك الأغشية الهرمية المسامية – فئة من المركبات النانوية المدمجة مع كرة الكربون وأكسيد الجرافين – والكربون النانوي الهرمي المصنوع من خشب الصنوبر، لامتصاص الكربون ثاني أكسيد. وطور البروفيسور ريمير رنين مغناطيسي في الحالة الصلبة تحديدًا لتوصيف الآلية التي تتفاعل بها المواد الصلبة مع ثاني أكسيد الكربون، من أجل تصميم مواد أفضل لالتقاط الكربون من البيئة وتخزين الطاقة. وطورت البروفيسور كوي منصة قوية ومستدامة للحالة الصلبة وتقنيات تصنيع لإنشاء مواد جديدة لمعالجة تغير المناخ وتخزين الطاقة.
*تمت الترجمة بتصرف
لمزيد من المعلومات: هايان ماو وآخرون، A scalable solid-state nanoporous network with atomic-level interaction design for carbon dioxide capture, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abo6849
المصدر:
https://phys.org/news/2022-08-simple-cheap-material-carbon-capture.html
الهوامش:
- ثنائي ايثيلين ترايامين (Diethylenetriamine) (اختصار داين Dien أو ديتا DETA) والمعروف أيضًا باسم [2،2’- ايمينودي (إيثيل أمين)] ,هو مركب عضوي بالصيغة HN(CH2CH2NH2)2. هذا السائل المرطب عديم اللون قابل للذوبان في الماء والمذيبات العضوية القطبية، ولكن ليس في الهيدروكربونات البسيطة. ثنائي إيثيلين ترايامين هو نظير هيكلي لثنائي إيثيلين جلايكول. تشبه خواصه الكيميائية تلك الخاصة بإيثيلين ثنائي الأمين، وله استخدامات مماثلة. إنها قاعدة ضعيفة ومحلولها المائي قلوي. ديتا هو منتج ثانوي لإنتاج إيثيلين ديامين من ثنائي كلوريد الإيثيلين. ويكيبيديا.
