التقاط ثاني أكسيد الكربون بضغطة زر.. جهاز كهروكيميائي يمكن تكييفه مع مجموعة متنوعة من السيناريوهات

يمكن للتكنولوجيا الجديدة التي طورها مهندسو جامعة رايس، أن تخفض تكلفة التقاط ثاني أكسيد الكربون من جميع أنواع الانبعاثات، وهو عامل تغيير محتمل لكلتا الصناعتين اللتين تتطلعان إلى التكيف مع معايير غازات الدفيئة المتطورة وللاقتصاد الناشئ في التحول للطاقة.

وفقًا لدراستهم المنشورة في Nature ، يمكن للنظام من مختبر المهندس الكيميائي الجزيئي Haotian Wang إزالة ثاني أكسيد الكربون مباشرةً من مصادر تتراوح من غاز المداخن إلى الغلاف الجوي باستخدام الكهرباء للحث على تفاعل كهروكيميائي قائم على الماء والأكسجين.

هذا العمل التكنولوجي الفذ يمكن أن يحول التقاط الهواء المباشر من الصناعة الهامشية – لا يوجد سوى 18 مصنعًا قيد التشغيل حاليًا في جميع أنحاء العالم- إلى جبهة واعدة للتخفيف من تغير المناخ.

تتضمن معظم أنظمة احتجاز الكربون عملية من خطوتين: أولاً، يتم استخدام السوائل عالية الأس الهيدروجيني لفصل ثاني أكسيد الكربون، وهو حامضي، عن تيارات الغازات المختلطة مثل غاز المداخن، بعد ذلك، يتم إعادة توليد ثاني أكسيد الكربون من المحلول من خلال التسخين أو عن طريق حقن سائل منخفض الأس الهيدروجيني.

قال وانج: “بمجرد حصر ثاني أكسيد الكربون في هذه المذيبات، يتعين عليك تجديده”، تتطلب طرق تنقية الغاز التقليدية بالأمين درجات حرارة تتراوح من 100 إلى 200 درجة مئوية، بالنسبة للعمليات القائمة على كربونات الكالسيوم، تحتاج إلى درجات حرارة تصل إلى 900 درجة مئوية، “لا توجد حرفيًا أي مواد كيميائية يتم إنتاجها أو استهلاكها في عمليتنا، كما أننا لا نحتاج إلى تسخين أجهزتنا أو الضغط عليها، فنحن نحتاج فقط إلى توصيله بمأخذ طاقة وسيعمل.”

عيب آخر لتقنيات احتجاز الكربون الحالية هو اعتمادها على بنية تحتية مركزية واسعة النطاق،على النقيض من ذلك، فإن النظام الذي تم تطويره في مختبر وانج هو مفهوم قابل للتطوير ونمطية ونقطة استخدام يمكن تكييفه مع مجموعة متنوعة من السيناريوهات.

توسيع نطاقها لتلائم الإعدادات الصناعية 

قال وانج : “يمكن توسيع نطاق هذه التقنية لتلائم الإعدادات الصناعية – محطات توليد الطاقة، والمعامل الكيميائية – ولكن الشيء العظيم فيها هو أنها تسمح بالاستخدام على نطاق صغير أيضًا: يمكنني حتى استخدامها في مكتبي”، “يمكننا، على سبيل المثال، سحب ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وضخ هذا الغاز المركز باستمرار في الدفيئة لتحفيز نمو النبات، لقد سمعنا من شركات تكنولوجيا الفضاء المهتمة باستخدام الجهاز في المحطات الفضائية لإزالة ثاني أكسيد الكربون الزفير رواد الفضاء . ”

يمكن للمفاعل الذي طوره وانج وفريقه إزالة ثاني أكسيد الكربون باستمرار من غاز مداخن محاكى بكفاءة أعلى من 98٪ باستخدام مدخلات كهرباء منخفضة نسبيًا.

ليس لها بصمة كربونية

قال بنج تشو، طالب دراسات عليا في الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية والمؤلف الرئيسي للدراسة: “الكهرباء المستخدمة لتشغيل مصباح بقدرة 50 وات لمدة ساعة ستنتج 10 إلى 25 لترًا من ثاني أكسيد الكربون عالي النقاء”، مشيراً إلى أن العملية “ليس لها بصمة كربونية أو بصمة محدودة للغاية” إذا كانت مدعومة بالكهرباء من مصادر متجددة مثل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح.

وقال وانج: “هذه أخبار رائعة بالنظر إلى أن الكهرباء المتجددة أصبحت أكثر فاعلية من حيث التكلفة”.
يتكون المفاعل من كاثود تم إعداده لأداء اختزال الأكسجين، وأنود يؤدي تفاعل تطور الأكسجين وطبقة إلكتروليت صلبة مدمجة ومسامية تسمح بالتوصيل الأيوني الفعال، تم استخدام نسخة سابقة من المفاعل لتقليل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود سائل نقي وتقليل الأكسجين إلى محاليل بيروكسيد الهيدروجين النقي.

وقال تشو “في السابق، ركزت مجموعتنا بشكل أساسي على استخدام ثاني أكسيد الكربون”، “لقد عملنا على إنتاج منتجات سائلة نقية مثل حمض الأسيتيك وحمض الفورميك، إلخ.”

وفقًا لوانج، لاحظ تشو خلال عملية البحث أن فقاعات الغاز تتدفق من الغرفة الوسطى للمفاعل جنبًا إلى جنب مع السوائل، قال وانج: “في البداية، لم نعر اهتمامًا كبيرًا لهذه الظاهرة”، “ومع ذلك، لاحظ بينج أنه إذا طبقنا المزيد من التيار، فسيكون هناك المزيد من الفقاعات، وهذا ارتباط مباشر، مما يعني أن شيئًا ما ليس عشوائيًا يحدث.”

وأوضح وانج: “ثم قمنا بعد ذلك بضبط وتحسين التكنولوجيا لهذا المشروع الجديد والتطبيق الجديدـ لقد أمضينا سنوات من العمل المتواصل على هذا النوع من الأجهزة الكهروكيميائية، “غالبًا ما يتطلب الاكتشاف العلمي المراقبة المستمرة والفضول لمعرفة ما يحدث بالفعل، واختيار عدم إهمال تلك الظواهر التي لا تتناسب بالضرورة مع الإطار التجريبي.”