تطوير “إسفنجة” فحم مكهربة لامتصاص ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الهواء.. أكثر كفاءة في استخدام الطاقة

طور الباحثون طريقة منخفضة التكلفة وموفرة للطاقة لصنع مواد يمكنها التقاط ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الهواء.

استخدم باحثون من جامعة كامبريدج طريقة مشابهة لشحن البطارية لشحن الفحم المنشط، والذي يستخدم غالبًا في مرشحات المياه المنزلية.

ومن خلال شحن “إسفنجة” الفحم بالأيونات التي تشكل روابط عكسية مع ثاني أكسيد الكربون ، وجد الباحثون أن المادة المشحونة يمكنها بنجاح التقاط ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الهواء.

من المحتمل أيضًا أن تكون إسفنجة الفحم المشحونة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة من أساليب احتجاز الكربون الحالية، لأنها تتطلب درجات حرارة أقل بكثير لإزالة ثاني أكسيد الكربون المحتجز حتى يمكن تخزينه. تم نشر النتائج في مجلة الطبيعة.

وقال الدكتور ألكسندر فورس من قسم الكيمياء في يوسف حميد، الذي قاد البحث: “إن احتجاز انبعاثات الكربون من الغلاف الجوي هو الملاذ الأخير، ولكن بالنظر إلى حجم حالة الطوارئ المناخية، فهذا شيء نحتاج إلى التحقيق فيه”.

وأضاف “الشيء الأول والأكثر إلحاحًا الذي يتعين علينا القيام به هو تقليل انبعاثات الكربون في جميع أنحاء العالم،، ولكن يُعتقد أيضًا أن إزالة الغازات الدفيئة ضرورية لتحقيق صافي انبعاثات صفرية والحد من أسوأ آثار تغير المناخ. ومن الناحية الواقعية، يتعين علينا أن نفعل كل ما في وسعنا”.

الأساليب الحالية باهظة الثمن

يعد احتجاز الهواء المباشر، والذي يستخدم مواد تشبه الإسفنج لإزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي، أحد الأساليب المحتملة لاحتجاز الكربون، لكن الأساليب الحالية باهظة الثمن،، وتتطلب درجات حرارة عالية واستخدام الغاز الطبيعي، وتفتقر إلى الاستقرار.

وقال فورس: “لقد تم إنجاز بعض الأعمال الواعدة بشأن استخدام المواد المسامية لاحتجاز الكربون من الغلاف الجوي”، “أردنا أن نرى ما إذا كان الفحم المنشط قد يكون خيارًا، لأنه رخيص الثمن ومستقر ويتم تصنيعه على نطاق واسع.”

يُستخدم الفحم المنشط في العديد من تطبيقات التنقية، مثل مرشحات المياه، لكنه عادةً لا يمكنه التقاط ثاني أكسيد الكربون من الهواء والاحتفاظ به . اقترح فورس وزملاؤه أنه إذا أمكن شحن الفحم المنشط، مثل البطارية، فقد يكون مادة مناسبة لالتقاط الكربون.

شحن الفحم المنشط

عند شحن البطارية، يتم إدخال الأيونات المشحونة في أحد أقطاب البطارية. افترض الباحثون أن شحن الفحم المنشط بمركبات كيميائية تسمى هيدروكسيدات سيجعله مناسبًا لاحتجاز الكربون، حيث أن الهيدروكسيدات تشكل روابط عكسية مع ثاني أكسيد الكربون .

استخدم الفريق عملية شحن تشبه البطارية لشحن قطعة قماش رخيصة الثمن من الفحم المنشط باستخدام أيونات الهيدروكسيد.

في هذه العملية، تعمل قطعة القماش بشكل أساسي كقطب كهربائي في البطارية، وتتراكم أيونات الهيدروكسيد في المسام الصغيرة للفحم. وفي نهاية عملية الشحن، تتم إزالة الفحم من “البطارية” وغسله وتجفيفه.

وأظهرت اختبارات إسفنجة الفحم المشحونة أنها تستطيع التقاط ثاني أكسيد الكربون بنجاح مباشرة من الهواء، وذلك بفضل آلية الترابط بين الهيدروكسيدات.

وقال فورس: “إنها طريقة جديدة لصنع المواد باستخدام عملية تشبه البطارية”، “وإن معدلات احتجاز ثاني أكسيد الكربون قابلة للمقارنة بالفعل مع المواد الموجودة، ولكن ما هو أكثر واعدة هو أن هذه الطريقة يمكن أن تكون أقل استهلاكًا للطاقة بكثير، لأننا لا نحتاج إلى درجات حرارة عالية لجمع ثاني أكسيد الكربون وتجديد إسفنجة الفحم”.

لجمع ثاني أكسيد الكربون من الفحم بحيث يمكن تنقيته وتخزينه، يتم تسخين المادة لعكس روابط الهيدروكسيد-ثاني أكسيد الكربون، في معظم المواد المستخدمة حاليًا لالتقاط ثاني أكسيد الكربلاون من الهواء، تحتاج المواد إلى التسخين إلى درجات حرارة تصل إلى 900 درجة مئوية، وغالبًا ما يستخدم الغاز الطبيعي.

التسخين إلى 90-100 درجة مئوية

ومع ذلك، فإن إسفنجات الفحم المشحونة التي طورها فريق كامبريدج لا تتطلب سوى التسخين إلى 90-100 درجة مئوية، وهي درجات حرارة يمكن تحقيقها باستخدام الكهرباء المتجددة، يتم تسخين المواد من خلال التسخين المقاوم، والذي يسخنها بشكل أساسي من الداخل إلى الخارج، مما يجعل العملية أسرع وأقل استهلاكًا للطاقة.

ومع ذلك، فإن المواد لديها قيود يعمل عليها الباحثون الآن، وقال فورس: “نحن نعمل الآن على زيادة كمية ثاني أكسيد الكربون التي يمكن احتجازها، وخاصة في ظل الظروف الرطبة حيث ينخفض ​​أدائنا”.

ويقول الباحثون، إن نهجهم يمكن أن يكون مفيدًا في مجالات تتجاوز احتجاز الكربون ، حيث يمكن ضبط المسام الموجودة في الفحم والأيونات المدخلة فيها لالتقاط مجموعة من الجزيئات.

قال فورس: “كان هذا النهج بمثابة فكرة مجنونة توصلنا إليها أثناء عمليات الإغلاق بسبب فيروس كورونا، لذلك يكون من المثير دائمًا أن تنجح هذه الأفكار بالفع، “يفتح هذا النهج الباب أمام صنع جميع أنواع المواد لتطبيقات مختلفة، بطريقة بسيطة وموفرة للطاقة.”

تم تقديم براءة اختراع ويجري تسويق البحث بدعم من مؤسسة كامبريدج، الذراع التجاري للجامعة.