التقاط ثاني أكسيد الكربون وتحويله بكفاءة في استخدام الطاقة

اكتشف الباحثون كيف يمكن احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتحويله من خلال عملية كهروكيميائية واحدة يتم فيها استخدام قطب كهربائي، مثل القطب الموضح في الصورة المغطى بالفقاعات، لجذب ثاني أكسيد الكربون المنطلق من مادة ماصة وتحويله إلى منتجات محايدة للكربون. الائتمان: جون فريدا / معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا MechE

ويمكن لهذه النتائج، التي تعتمد على عملية كهروكيميائية واحدة، أن تساعد في خفض الانبعاثات الصادرة عن الصناعات التي يصعب إزالة الكربون منها، مثل الصلب والأسمنت.

في إطار الجهود المبذولة للحد من انبعاثات الغازات الدفيئة العالمية في جميع أنحاء العالم، العلماء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يركزون على تقنيات احتجاز الكربون لإزالة الكربون من الانبعاثات الصناعية الأكثر تحديًا.

ومن الصعب بشكل خاص إزالة الكربون من صناعات مثل الصلب والأسمنت والتصنيع الكيميائي بسبب الاستخدام المتأصل للكربون والوقود الأحفوري في عملياتها. وإذا كان من الممكن تطوير التكنولوجيات لالتقاط انبعاثات الكربون وإعادة توظيفها ضمن عملية الإنتاج، فقد يؤدي ذلك إلى انخفاض كبير في الانبعاثات الصادرة عن هذه القطاعات “التي يصعب تخفيفها”.

ومع ذلك، فإن التقنيات التجريبية الحالية التي تقوم باحتجاز ثاني أكسيد الكربون وتحويله تفعل ذلك كعمليتين منفصلتين، وتتطلب في حد ذاتها كمية هائلة من الطاقة لتشغيلها. يتطلع فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى الجمع بين العمليتين في نظام واحد متكامل وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة ويمكن تشغيله على الطاقة المتجددة لالتقاط وتحويل ثاني أكسيد الكربون من المصادر الصناعية المركزة.

النتائج الأخيرة بشأن احتجاز الكربون وتحويله

في دراسة نشرت في 5 سبتمبر في المجلة الحفز ACSيكشف الباحثون عن الوظيفة الخفية لكيفية احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتحويله من خلال عملية كهروكيميائية واحدة. تتضمن العملية استخدام قطب كهربائي لجذب ثاني أكسيد الكربون المنبعث من المادة الماصة، وتحويله إلى شكل مخفف قابل لإعادة الاستخدام.

وقد أبلغ آخرون عن مظاهرات مماثلة، ولكن الآليات التي تحرك التفاعل الكهروكيميائي ظلت غير واضحة. أجرى فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تجارب واسعة النطاق لتحديد هذا المحرك، ووجد أنه في النهاية يرجع إلى الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون. بمعنى آخر، كلما زاد نقاء ثاني أكسيد الكربون الذي يتلامس مع القطب، زادت كفاءة القطب في التقاط الجزيء وتحويله.

معرفة هذا المحرك الرئيسي، أو “النشط”. صِنف“، يمكن أن يساعد العلماء على ضبط وتحسين الأنظمة الكهروكيميائية المماثلة لالتقاط وتحويل ثاني أكسيد الكربون بكفاءة في عملية متكاملة.

تشير نتائج الدراسة إلى أنه على الرغم من أن هذه الأنظمة الكهروكيميائية قد لا تكون مناسبة للبيئات المخففة للغاية (على سبيل المثال، لالتقاط وتحويل انبعاثات الكربون مباشرة من الهواء)، إلا أنها ستكون مناسبة تمامًا للانبعاثات عالية التركيز الناتجة عن العمليات الصناعية. وخاصة تلك التي ليس لديها بديل واضح للطاقة المتجددة.

“يمكننا ويجب علينا التحول إلى مصادر الطاقة المتجددة لإنتاج الكهرباء. يقول مؤلف الدراسة بيتار جالانت، أستاذ مشارك في التطوير الوظيفي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، دفعة عام 1922، إن الصناعات التي تعمل على إزالة الكربون بشكل كبير مثل إنتاج الأسمنت أو الصلب تمثل تحديًا وستستغرق وقتًا أطول. “حتى لو تخلصنا من جميع محطات الطاقة لدينا، فإننا بحاجة إلى بعض الحلول للتعامل مع الانبعاثات الصادرة عن الصناعات الأخرى على المدى القصير، قبل أن نتمكن من إزالة الكربون منها بالكامل. وهذا هو المكان الذي نرى فيه نقطة جيدة، حيث يمكن أن يصلح شيء مثل هذا النظام.

المؤلفون المشاركون في الدراسة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هم المؤلف الرئيسي وباحث ما بعد الدكتوراه جراهام ليفريك وطالبة الدراسات العليا إليزابيث برنهاردت، إلى جانب عائشة إلياني إسماعيل، وجون هوي لو، وعارف عارف الزمان، ومحمد خير الدين أروا من جامعة صنواي في ماليزيا.

فهم عملية احتجاز الكربون

تم تصميم تقنيات احتجاز الكربون لالتقاط الانبعاثات، أو “غاز المداخن”، من مداخن محطات الطاقة ومنشآت التصنيع. ويتم ذلك في المقام الأول باستخدام تعديلات تحديثية كبيرة لتوجيه الانبعاثات إلى غرف مملوءة بمحلول “الالتقاط” – وهو مزيج من الأمينات، أو المركبات القائمة على الأمونيا، والتي ترتبط كيميائيًا بثاني أكسيد الكربون، مما ينتج عنه شكل مستقر يمكن فصله عن الباقي. من غاز المداخن.

يتم بعد ذلك تطبيق درجات حرارة عالية، عادةً على شكل بخار ناتج عن الوقود الأحفوري، لتحرير ثاني أكسيد الكربون المحتجز من الرابطة الأمينية. في شكله النقي، يمكن بعد ذلك ضخ الغاز إلى صهاريج التخزين أو تحت الأرض، أو تمعدنه، أو تحويله إلى مواد كيميائية أو وقود.

ويشير جالانت إلى أن “التقاط الكربون هو تقنية ناضجة، حيث أن الكيمياء معروفة منذ حوالي 100 عام، ولكنها تتطلب منشآت كبيرة حقًا، كما أن تشغيلها مكلف للغاية ويستهلك الكثير من الطاقة”. “ما نريده هو تقنيات أكثر مرونة ومرونة ويمكن تكييفها مع مصادر أكثر تنوعًا لثاني أكسيد الكربون. ويمكن للأنظمة الكهروكيميائية أن تساعد في معالجة ذلك.

تعمل مجموعتها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على تطوير نظام كهروكيميائي يستعيد ثاني أكسيد الكربون المحتجز ويحوله إلى منتج مخفض وقابل للاستخدام. وتقول إن مثل هذا النظام المتكامل، وليس المنفصل، يمكن تشغيله بالكامل بالكهرباء المتجددة بدلاً من البخار المشتق من الوقود الأحفوري.

يتمحور مفهومهم حول قطب كهربائي يمكن تركيبه في الغرف الموجودة لحلول احتجاز الكربون. عندما يتم تطبيق الجهد على القطب، تتدفق الإلكترونات على الشكل التفاعلي لثاني أكسيد الكربون وتحوله إلى منتج باستخدام البروتونات الموردة من الماء. وهذا يجعل المادة الماصة متاحة لربط المزيد من ثاني أكسيد الكربون، بدلاً من استخدام البخار لفعل الشيء نفسه.

أثبت جالانت سابقًا أن هذه العملية الكهروكيميائية يمكن أن تعمل على احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى غاز شكل كربونات صلبة.

وتقول: “لقد أظهرنا أن هذه العملية الكهروكيميائية كانت ممكنة في المفاهيم المبكرة جدًا”. “ومنذ ذلك الحين، كانت هناك دراسات أخرى تركز على استخدام هذه العملية لمحاولة إنتاج مواد كيميائية وأنواع وقود مفيدة. ولكن كانت هناك تفسيرات غير متسقة لكيفية عمل ردود الفعل هذه، تحت الغطاء.

دور “سولو ثاني أكسيد الكربون”

في الدراسة الجديدة، أخذ فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عدسة مكبرة أسفل الغطاء لاستخلاص التفاعلات المحددة التي تقود العملية الكهروكيميائية. وفي المختبر، أنتجوا محاليل أمينية تشبه محاليل الالتقاط الصناعية المستخدمة لاستخراج ثاني أكسيد الكربون من غاز المداخن. قاموا بشكل منهجي بتغيير خصائص مختلفة لكل محلول، مثل الرقم الهيدروجيني والتركيز ونوع الأمين، ثم مرروا كل محلول عبر قطب كهربائي مصنوع من الفضة، وهو معدن يستخدم على نطاق واسع في دراسات التحليل الكهربائي ومعروف بقدرته على تحويل ثاني أكسيد الكربون بكفاءة إلى كربون. أول أكسيد. ثم قاموا بقياس تركيز أول أكسيد الكربون الذي تم تحويله في نهاية التفاعل، وقارنوا هذا الرقم مع كل محلول آخر اختبروه، لمعرفة أي معامل له التأثير الأكبر على كمية أول أكسيد الكربون المنتجة.

وفي النهاية، وجدوا أن ما يهم أكثر لم يكن نوع الأمين المستخدم لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون في البداية، كما توقع الكثيرون. وبدلاً من ذلك، كان تركيز جزيئات ثاني أكسيد الكربون المنفردة والحرة، هو الذي تجنب الارتباط بالأمينات ولكنه مع ذلك كان موجودًا في المحلول. يحدد “ثاني أكسيد الكربون المنفرد” تركيز أول أكسيد الكربون الذي تم إنتاجه في النهاية.

يقول ليفيريك: “لقد وجدنا أنه من الأسهل التفاعل مع ثاني أكسيد الكربون المنفرد، مقارنةً بثاني أكسيد الكربون الذي تم احتجازه بواسطة الأمين”. “وهذا يخبر الباحثين المستقبليين أن هذه العملية يمكن أن تكون مجدية للتيارات الصناعية، حيث يمكن احتجاز التركيزات العالية من ثاني أكسيد الكربون بكفاءة وتحويلها إلى مواد كيميائية ووقود مفيد.”

“هذه ليست تقنية إزالة، ومن المهم ذكر ذلك”، يؤكد جالانت. “إن القيمة التي تجلبها هي أنها تسمح لنا بإعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون عدة مرات مع الحفاظ على العمليات الصناعية الحالية، لتقليل الانبعاثات المرتبطة بها. في النهاية، حلمي هو إمكانية استخدام الأنظمة الكهروكيميائية لتسهيل التمعدن والتخزين الدائم لثاني أكسيد الكربون، وهي تقنية إزالة حقيقية. هذه رؤية طويلة المدى. والكثير من العلوم التي بدأنا في فهمها هي خطوة أولى نحو تصميم تلك العمليات.

مرجع: “الكشف عن الأنواع النشطة في ثاني أكسيد الكربون بوساطة الأمين₂ “التخفيض إلى ثاني أكسيد الكربون في Ag” بقلم جراهام ليفيريك، إليزابيث إم. بيرنهاردت، عائشة إلياني إسماعيل، جون هوي لو، أ. عارف الزمان، محمد خير الدين أروا، وبيتار إم جالانت*، 5 سبتمبر 2023، الحفز ACS.
دوى: 10.1021/acscatal.3c02500

يتم دعم هذا البحث من قبل جامعة صنواي في ماليزيا.