الذهب يقود تحولًا أخضر.. تحويل الإيثانول النباتي إلى كيماويات صناعية بكفاءة 95%

تحويل الكحول النباتي إلى كيماويات صناعية مفيدة يبدو بسيطًا نظريًا، لكنه في الواقع معادلة دقيقة، فدفع الإيثانول بقوة مع الأكسجين يؤدي غالبًا إلى احتراقه الكامل وتحوله إلى ثاني أكسيد الكربون.

لكن عند التحكم الدقيق في التفاعل، يمكن تحويل الإيثانول إلى الأسيتالدهيد، وهو مركب كيميائي مهم يدخل في صناعة البلاستيك والأدوية والعديد من المنتجات اليومية.

يقول باحثون في الصين إنهم توصلوا إلى طريقة تضمن هذا التوازن، إذ استخدم الفريق محفزًا قائمًا على الذهب، نجح في تحويل الإيثانول المتجدد إلى أسيتالدهيد بكفاءة تقترب من 95%، مع تشغيل التفاعل عند درجات حرارة أقل من العديد من الطرق الصناعية الحالية.

الدراسة، التي قادها البروفيسور بنج ليو من جامعة هوازهونج للعلوم والتكنولوجيا، تفتح الباب أمام بديل محتمل لمسارات الإنتاج المعتمدة حاليًا على الوقود الأحفوري.

فبدلًا من الاعتماد على الإيثيلين المشتق من النفط والغاز، يبدأ هذا المسار بإيثانول يتم إنتاجه عبر تخمير السكريات النباتية.

لماذا يُعد الإيثانول خيارًا جذابًا؟

على مدار عقود، اعتمد إنتاج الأسيتالدهيد عالميًا على عملية “أكسدة واكر”، التي تستخدم البلاديوم والنحاس لتحويل الإيثيلين إلى هذا المركب واسع الاستخدام.

ورغم فعاليتها، تعتمد هذه العملية على سوائل غنية بالكلور، ما يؤدي إلى تآكل المعدات الصناعية وتكوين نواتج ثانوية كلورية غير مرغوبة، كما أن انطلاقها من مواد أحفورية دفع الصناعة للبحث طويلًا عن بديل متجدد.

يوفر الإيثانول هذا البديل، إذ يُنتج بكميات كبيرة عبر التخمير الحيوي، حيث تحول الكائنات الدقيقة السكريات النباتية إلى كحول، في عملية يمكن توسيعها بالتوازي مع النشاط الزراعي.

أكسدة الإيثانول إلى أسيتالدهيد تحافظ على السلسلة الكربونية الثنائية، من خلال نزع ذرتي هيدروجين فقط، لكن التحدي يكمن في منع الأكسجين من الاستمرار في التفاعل حتى الاحتراق الكامل.

موازنة الإنتاج والسلامة

يسعى مصممو المحفزات عادة إلى تحقيق معدلات تحويل مرتفعة، لكن ذلك قد يأتي على حساب الانتقائية، أي نسبة المنتج المرغوب فيه من إجمالي النواتج.

وفي أعمال سابقة، أبلغ فريق ليو عن تحقيق عوائد قاربت 95%، مع استقرار المحفز لمدة 500 ساعة تشغيل، إلا أن العديد من الأنظمة عالية الكفاءة اعتمدت على عنصر الكروم السام، وهو ما تسعى الكيمياء الحديثة إلى تجنبه، خاصة في العمليات منخفضة الحرارة.

النهج الجديد أعاد التفكير في بنية دعامة المحفز نفسها، فبدل الأكاسيد التقليدية، استقرت جسيمات الذهب على بنية بلورية من نوع “بيروفسكايت”، تسمح بتحكم أدق في كيمياء السطح.

داخل هذه الشبكة، استُبدلت بعض ذرات المنغنيز بالنحاس، ما عدّل طريقة تنشيط الأكسجين ونقله أثناء التفاعل، وعند ضبط النسبة بدقة، حافظ المحفز على انتقائية عالية دون الاعتماد على مواد خطرة.

الذهب يحتاج إلى شركاء

يمكن للذهب وحده أكسدة الإيثانول، لكن السرعة الحقيقية تأتي من المواقع النشطة، وهي مناطق دقيقة على السطح حيث تتم التفاعلات.

في هذا المحفز، تتركز هذه المواقع قرب جسيمات الذهب وبجوار ذرات النحاس والمنغنيز، ما يعزز تكوين الأسيتالدهيد ويحد من الأكسدة العميقة.

زيادة النحاس عن الحد اللازم أدت إلى نتائج عكسية، إذ تحول إلى نحاس معدني أقل تفاعلًا، ما أضعف التعاون السطحي، أما نسبة الثلث، فقد حافظت على النحاس في حالته النشطة.

درجات حرارة أقل وعمر أطول

تشغيل التفاعلات عند درجات حرارة منخفضة يقلل من المسارات غير المرغوبة ويحد من تدهور المحفز.

وأظهرت الاختبارات أن المحفز الجديد عمل عند 225 درجة مئوية لمدة 80 ساعة دون أي انخفاض ملحوظ في الأداء، وهو عامل حاسم للتطبيقات الصناعية المستمرة.

نحو تطبيق صناعي أوسع

يمكن لعملية تحويل الإيثانول إلى أسيتالدهيد أن تندمج بسهولة في المصانع القائمة، إذ إن كلا المادتين مستخدمتان بالفعل على نطاق واسع.

لكن التحديات المتبقية تتعلق بتكلفة الذهب، وتوزيعه المتجانس، وإمكانية استخدام معادن أقل تكلفة، إضافة إلى اختبارات عمر تشغيل أطول بمواد خام واقعية.

الدراسة نُشرت في مجلة Chinese Journal of Catalysis، وتشير نتائجها إلى أن تصميم المحفزات التعاونية قد يكون مفتاحًا لمسارات كيميائية حيوية أكثر استدامة في المستقبل.

Tags)
لينك الدراسة