باحثون في جامعة سعودية ينجحون في تطوير نموذج هجين يتنبأ بأفضل التقنيات لخفض انبعاثات الصناعة الكيميائية

فصل وتنقية الخلطات المتقاربة من الجزيئات قد يكون من أكثر العمليات استهلاكاً للطاقة في الصناعة الكيميائية، ويساهم في زيادة بصمتها الكربونية على مستوى العالم.

وفي كثير من الحالات، يمكن استبدال بروتوكولات الفصل الصناعية التقليدية باستخدام أحدث أغشية الترشيح النانوية الموفرة للطاقة ــ ولكن اختبار أفضل تكنولوجيا فصل لكل حالة استخدام صناعية أمر بطيء ومكلف.

طور باحثون في جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية أداة حسابية يمكنها تقليل هذا العمل من خلال مقارنة تقنيات الفصل لمزيج كيميائي معين، والتنبؤ بالتقنية الأكثر كفاءة والأقل تكلفة لهذه المهمة.

وقد نُشر العمل في مجلة Nature Energy .

يقول جورجي سزيكيلي، الذي قاد البحث: “نحن قادرون على التنبؤ بفصل ملايين الجزيئات ذات الصلة عبر الصناعات مثل الأدوية والمبيدات الحشرية والأصباغ”.

تستطيع أغشية الترشيح النانوي التجارية خفض تكاليف الطاقة اللازمة لفصل المواد الكيميائية، مقارنة بالطرق التقليدية التي تعتمد على الحرارة مثل التبخر والتقطير، وذلك من خلال الترشيح الانتقائي للمنتج المطلوب. ومع ذلك، لا تنجح تقنية الترشيح النانوي في جميع الحالات.

يقول سزيكيلي: “إن التنبؤ بأداء فصل الأغشية لمخاليط كيميائية مختلفة يشكل تحديًا صعبًا للغاية”.

ولتطوير أداة اختيار تقنية الفصل الكيميائي الشاملة الخاصة بهم، قام Szekely، وفريقه بتجميع مجموعة مكونة من ما يقرب من 10000 قياس للترشيح النانوي من الأدبيات العلمية، مع التركيز على الأغشية المتاحة تجاريًا.

إنشاء نموذج ذكاء اصطناعي

استخدم الباحثون التعلم الآلي لتحليل البيانات، مما أدى إلى إنشاء نموذج ذكاء اصطناعي قادر على التنبؤ بأداء الترشيح النانوي للخلائط الكيميائية غير المختبرة. تم دمج هذه المعلومات مع النماذج الميكانيكية لتقدير متطلبات الطاقة والتكلفة لفصل كيميائي إذا تم إجراؤه عن طريق الترشيح النانوي أو التبخر أو الاستخلاص.

يقول جيرجو إجناتش، أحد أعضاء فريق سزيكيلي: “إن نهجنا الجديد في النمذجة الهجينة يمكّننا من تقييم ملايين خيارات الفصل المحتملة، لتحديد التكنولوجيا الأكثر ملاءمة وكفاءة في استخدام الطاقة لأي مهمة فصل كيميائية معينة، وهذا من شأنه أن يسمح للصناعة باتخاذ قرارات أكثر استنارة تعمل على خفض تكاليف التشغيل واستهلاك الطاقة وانبعاثات الكربون بشكل كبير “.

يقول سزيكيلي، إن القدرة التنبؤية للنموذج الهجين تم التحقق منها تجريبياً باستخدام ثلاث دراسات حالة ذات صلة بالصناعة، “لقد وجدنا تطابقاً ممتازاً بين القيم التي تنبأ بها نموذجنا والقيم المقاسة لهذه العمليات.”

اختيار التكنولوجيا الأكثر كفاءة

وأظهر الباحثون، أن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن عمليات تنقية المستحضرات الصيدلانية يمكن خفضها بنسبة تصل إلى 90% من خلال اختيار التكنولوجيا الأكثر كفاءة لهذه المهمة، وإجمالاً، يمكن خفض استهلاك الطاقة وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن عمليات الفصل الصناعية بنسبة 40% في المتوسط باستخدام هذه الطريقة، حسب تقديرهم.

نتائج مدهشة

يقول إجناتش، إن أحد النتائج المدهشة كان الفارق الشاسع بين الطريقة الأفضل والطريقتين الأخريين لأي فصل معين، “في معظم الحالات، برزت إما الترشيح النانوي، أو التبخير، أو الاستخلاص كفائز واضح، حيث تفوقت إحدى الطرق بشكل كبير على الطرق الأخرى بناءً على المقاييس الاقتصادية والطاقة، مما ترك مساحة ضئيلة للوسط”.

ورغم أن القدرة التنبؤية للنموذج أثبتت أنها عالية، إلا أنه لا يزال هناك مجال للتحسين والمزيد من التحقق، كما يقول سزيكيلي “أدواتنا متاحة للجميع من خلال قاعدة بيانات OSN على www.osndatabase.com ، ونحن نشجع المجتمع على استخدامها”.