إعادة تدوير الكتلة الحيوية لإنتاج الغاز الحيوي بطريقة صديقة للبيئة
تطوير جهاز صغير محمول يمكنه قياس محتوى الماء في الغازات الساخنة بشكل موثوق
كثير من نفاياتنا قيّمة للغاية بحيث لا يمكن حرقها ببساطة، إذا أُعيد تدويرها بطريقة مُحكمة، فلن يُولّد ذلك طاقة حرارية فحسب، بل يُمكن أيضًا استخدام الغاز الناتج لإنتاج مواد كيميائية قيّمة، من الهيدروجين إلى الميثان أو الميثانول، ومع ذلك، يجب مراقبة عملية إنتاج الغاز وتنظيمها بدقة.
حتى الآن، كان بخار الماء، وهو ناتج ثانوي شائع جدًا لعملية التغويز، مصدر إزعاج خاص.
للتحكم الفعال في عملية التغويز، من المهم معرفة محتوى الماء في الغاز الناتج بدقة قدر الإمكان، ومع ذلك، تُصعّب الطرق التقليدية قياس محتوى الماء.
بالتعاون بين هندسة العمليات وقسم الفوتونيات في جامعة فيينا للتكنولوجيا (فيينا)، تم حل هذه المشكلة باستخدام نوع خاص جدًا من مصادر الضوء: إشعاع تيراهرتز من ليزر متتالي كمي.
تدعم تقنية الكم الحديثة الآن إعادة تدوير الكتلة الحيوية بطريقة صديقة للبيئة.
نُشرت هذه الورقة البحثية في مجلة تحويل وإدارة الطاقة: X
القياسات التقليدية ليست كافية
يوضح فلوريان مولر، الباحث في أنظمة الكربون المتجددة ضمن برنامج الدكتوراه في مصفاة ثاني أكسيد الكربون في معهد الهندسة الكيميائية والبيئية والبيولوجية بجامعة فيينا التقنية: “يمكن الكشف عن العديد من المكونات الكيميائية للغاز الناتج باستخدام الأشعة تحت الحمراء”.
ويضيف: “تمتص الجزيئات المختلفة أطوالًا موجية مختلفة من الأشعة تحت الحمراءن وبقياس أي جزء من الطول الموجي تمتصه العينة، يُمكن تحديد ما إذا كانت العينة تحتوي على مادة معينة أم لا”.
ومع ذلك، يصعب تحقيق ذلك باستخدام بخار الماء، وهو ناتج ثانوي ذو أهمية خاصة لعملية إنتاج الغاز.
يقول مولر: “عند تحويل الكتلة الحيوية إلى غازات، نحصل على خليط غازي معقد لا يحتوي فقط على بخار الماء، بل يحتوي أيضًا على العديد من الهيدروكربونات المختلفة”، ويمتص بعضها الأشعة تحت الحمراء بنفس ترددات الماء تمامًا.
هذا يعني أنه من غير الممكن تحديد المادة المسؤولة عن الامتصاص بدقة، وبالتالي لا يمكن تحديد محتوى الماء في الغاز الناتج بدقة.
يمكن تبريد عينة من الغاز ثم قياس كمية الماء المكثف، لكن هذا يستغرق وقتًا، لا يمكن التفاعل بسرعة مع تقلبات تركيزات الماء، مما يُصعّب التشغيل الفعال.
تطوير مصادر إشعاع تيراهرتز
في الوقت نفسه، كان مايكل جايدل يُجري أبحاثًا في معهد الفوتونيات بجامعة فيينا التقنية حول أشعة الليزر في نطاق التيراهرتز، أي الإشعاع الذي يبلغ طوله الموجي أطول قليلاً من الأشعة تحت الحمراء المُستخدمة عادةً اليوم في القياسات الطيفية.
جايدل ومولر صديقان قديمان يعرفان بعضهما البعض منذ أيام الدراسة، ولذلك خطرت لهما فكرة دمج مجالات بحثهما.
تمكّن جايدل من إثبات أن الترددات في نطاق التيراهرتز تُمتصّ تحديدًا بواسطة جزيئات الماء فقط، وليس بواسطة العديد من المواد الأخرى الموجودة بتركيزات كبيرة في غاز ناتج محطة تغويز الكتلة الحيوية.
وبالتالي، يُمكن حلّ مشكلة الكشف عن بخار الماء باستخدام إشعاع التيراهرتز بدلًا من الأشعة تحت الحمراء المعتادة.
يصعب إنتاج إشعاع تيراهرتز، في جامعة فيينا التقنية، تُستخدم تقنيات الكم لإنتاج ليزرات متسلسلة كمومية، وهي أشباه موصلات دقيقة ذات بنية هندسية مصممة خصيصًا على مقياس النانومتر، تضمن انبعاث إشعاع بطول موجي محدد للغاية فقط عند تطبيق جهد كهربائي.
يتطلب هذا الليزر الكمي المتسلسل تبريدًا خاصًا به، لكن الباحثين نجحا في تطوير جهاز صغير محمول يمكنه قياس محتوى الماء في الغازات الساخنة بشكل موثوق باستخدام شعاع تيراهرتز.
الاختبارات الناجحة الأولى
يقول جايدل: “من أهم مزايا طريقتنا أنها توفر نتائج موثوقة على نطاق واسع من تركيزات بخار الماء ودرجات حرارته، ويرجع ذلك إلى امتصاص بخار الماء لإشعاع التيراهيرتز الذي نستخدمه بقوة، مما يسمح لنا باستخدام جهاز أكثر إحكامًا، ومن المزايا الرئيسية الأخرى للتصميم المدمج أن درجة الحرارة في خلية القياس لا تتقلب كثيرًا، مما يقلل من خطر الأخطاء”.
أثبتت تجارب إنتاج الغاز باستخدام نفايات الخشب في حرم Getreidemarkt بجامعة TU WIen نجاح الطريقة الجديدة.
ويسعى الباحثان وفريقاهما الآن إلى تحسين تقنيتهما بشكل أكبر: أولًا، جعلها أكثر سهولة في الاستخدام، وثانيًا، التحقق من إمكانية الكشف بشكل موثوق عن مكونات أخرى من غازات المنتج باستخدام تقنية التيراهيرتز.
