يطور المهندسون طريقة جديدة لانتزاع ثاني أكسيد الكربون CO2 من الهواء

قد توفر طريقة جديدة لإزالة ثاني أكسيد الكربون من مجرى الهواء، أداةً مهمةً في المعركة ضد تغير المناخ climate change. و يمكن للنظام الجديد أن يعمل على الغاز عند أي مستوى تركيز تقريباً ، حتى يصل إلى حوالي 400 جزء في المليون من الموجود حالياً في الغلاف الجوي.

التقنية الجديدة في انتزاع ثاني أكسيد الكربون

الجدير بالذكر أن معظم طرق إزالة ثاني أكسيد الكربون تتطلب من تيار من الغازات بتركيزات أعلى ، مثل تلك الموجودة في انبعاثات المداخن من محطات الطاقة القائمة على الوقود الأحفوري fossil fuel.

و يقول الباحثون إنه تم تطوير عدد قليل من الاختلافات التي يمكن أن تعمل مع التركيزات المنخفضة الموجودة في الهواء ، لكن الطريقة الجديدة أقل كثافة في استخدام الطاقة و أكثر تكلفة.

و هذه التقنية ، المبنية على تمرير الهواء عبر حزمة من اللوحات الكهروكيميائية electrochemical plates المشحونة ، موصوفة في ورقة جديدة في مجلة الطاقة والعلوم البيئية journal Energy and Environmental Science ، من قبل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا MIT قدمها ساهاج فوسكيان Sahag Voskian ، الذي طور العمل خلال الدكتوراه ، وتي ألان هاتون T. Alan Hatton ، أستاذ الهندسة الكيميائية في رالف لانداو Ralph Landau.

و هذا الجهاز -أساساً- عبارة عن بطارية كبيرة متخصصة، تمتص ثاني أكسيد الكربون Co2 من الهواء (أو أي تيار غاز آخر) ويمر عبر أقطابه الكهربائية أثناء شحنه ، ثم يطلق الغاز أثناء تفريغه.

و أثناء التشغيل ، سيتناوب الجهاز ببساطة بين الشحن والتفريغ

حيث يتم تفجير الهواء النقي أو غاز التغذية من خلال النظام أثناء دورة الشحن ، ثم يتم نفخ ثاني أكسيد الكربون carbon dioxide النقي المركز أثناء التفريغ.

و أثناء شحن البطارية ، يحدث تفاعل كهروكيميائي على سطح كل حزمة من الأقطاب الكهربائية. و تكون هذه الأقطاب مغلفة بمركب يسمى بولي انثراكينون polyanthraquinone ، والذي يتكون من أنابيب الكربون النانوية carbon nanotubes.

ويكون للأقطاب الكهربائية تقارب طبيعي مع ثاني أكسيد الكربون، و يمكنها التفاعل بسهولة مع جزيئاتها في الهواء أو في غاز التغذية ، حتى عندما تكون موجودة بتركيزات منخفضة للغاية.

و يحدث رد الفعل العكسي، عندما يتم تفريغ البطارية - حيث يمكن للجهاز توفير جزء من الطاقة اللازمة للنظام بأكمله - وفي هذه العملية يخرج تيار من ثاني أكسيد الكربون النقي. و يعمل النظام بأكمله في درجة حرارة الغرفة وضغط الهواء الطبيعي.

الميزة الكبيرة للتقنية الجديدة

يوضح فوسكيان: أن"أكبر ميزة لهذه التكنولوجيا على معظم تقنيات احتجاز الكربون أو امتصاص الكربون هي الطبيعة الثنائية لتقارب الممتزات adsorbent (المواد الممتصة) بثاني أكسيد الكربون".

وبعبارة أخرى ، فإن مادة الإلكترود ، بطبيعتها ، "إما لديها درجة تقارب عالية أو لا تقارب على الإطلاق" ، وهذا يتوقف على حالة شحن البطارية أو تفريغها.

و في نفس الوقت، تتطلب التفاعلات الأخرى المستخدمة لالتقاط الكربون خطوات المعالجة الكيميائية الوسيطة أو مدخلات الطاقة الهامة مثل الحرارة أو اختلافات الضغط.

و يضيف فوسكيان Voskian: "إن هذا التقارب الثنائي يسمح باحتجاز ثاني أكسيد الكربون من أي تركيز كان ، بما في ذلك 400 جزء في المليون ، ويسمح بإطلاقه في أي تيار حامل ، بما في ذلك 100% من ثاني أكسيد الكربون CO2 ".

و بمعنى آخر، إن أي غاز يتدفق عبر حزمة الخلايا الكهروكيميائية المسطحة هذه -أثناء خطوة الإطلاق- سيتم حمل ثاني أكسيد الكربون الذي تم التقاطه من خلاله.

و على سبيل المثال ، إذا كان المنتج النهائي المرغوب فيه هو ثاني أكسيد الكربون النقي لاستخدامه في كربنة المشروبات ، فيمكن نفخ تيار من الغاز النقي عبر اللوحات. و من ثم يتم إطلاق الغاز الذي تم التقاطه من اللوحات وينضم إلى التيار.

الطرق المعمول بها حالياً

في بعض مصانع تعبئة المشروبات الغازية ، يتم حرق الوقود الأحفوري لتوليد ثاني أكسيد الكربون اللازم لإعطاء المشروبات صوت الفوران fizz. وبالمثل ، يحرق بعض المزارعين الغاز الطبيعي لإنتاج ثاني أكسيد الكربون لإطعام نباتاتهم في البيوت الزجاجية.

ويقول فوسكيان -في هذا الخصوص- إن النظام الجديد يمكن أن يلغي الحاجة للوقود الأحفوري في هذه التطبيقات ، وفي هذه العملية فإنه -في الواقع- سيتم إخراج الغازات الدفيئة من الهواء مباشرة.

و بدلاً من ذلك ، يمكن ضغط تيار ثاني أكسيد الكربون النقي وحقنه تحت الأرض للتخلص منه على المدى الطويل ، أو حتى تحويله إلى وقود من خلال سلسلة من العمليات الكيميائية chemical والكهروكيميائية electrochemical.

مزايا إضافية للطريقة الجديدة

يقول فوسكيان: إن العملية التي يستخدمها هذا النظام لالتقاط وإطلاق ثاني أكسيد الكربون "ثورية" "is revolutionary" بالفعل، و أن "كل هذا يتم في ظروف المحيط الطبيعية - فليست هناك حاجة إلى مدخلات حرارية أو ضغطية أو كيميائية.

إنها مجرد صفائح رقيقة للغاية ، مع سطحين نشطين ، ويمكن رصّها فوق بعضها البعض، في صندوق وتوصيلها بمصدر للكهرباء."

يقول هاتون: "في مختبراتنا ، نسعى جاهدين لتطوير تكنولوجيات جديدة لمعالجة مجموعة من القضايا البيئية التي تتجنب الحاجة إلى مصادر الطاقة الحرارية ، والتغيرات في ضغط النظام ، أو إضافة المواد الكيميائية لاستكمال دورات الفصل والإطلاق".

و تعتبر "هذه التقنية لالتقاط ثاني أكسيد الكربون دليلٌ واضحٌ على قوة النهج الكهروكيميائي الذي يتطلب فقط تقلبات صغيرة في الجهد لدفع الانفصال."

و على سبيل المثال، في مصنع عامل -في محطة توليد الطاقة حيث يتم إنتاج غاز العادم بشكل مستمر- يمكن إنشاء حزمتين (مجموعتين) من هذه الحُزم من الخلايا الكهروكيميائية جنباً إلى جنب للعمل بالتوازي ، مع توجيه غاز المداخن أولاً إلى مجموعة واحدة لالتقاط الكربون ، ثم يتم تحويلها إلى المجموعة الثانية بينما تدخل المجموعة الأولى في دورة تصريفها. و من خلال التناوب ذهاباً وإياباً ، يمكن للنظام دائماً التقاط الغاز وتفريغه. 

و قد أثبت الفريق - في المختبر- أن النظام قادر على تحمل ما لا يقل عن 7,000 دورة تفريغ-شحن ، مع خسارة 30% من الكفاءة خلال ذلك الوقت. ويقدِّر الباحثون أنه، بإمكانهم و بسهولة تحسين ذلك إلى ما بين 20,000 إلى 50,000 دورة.

و يمكن تصنيع الأقطاب الكهربائية نفسها بواسطة طرق المعالجة الكيميائية القياسية. يقول فوسكيان: إنه على الرغم من أن هذا يتم اليوم في بيئة معملية ، إلا أنه يمكن تكييفه بحيث يمكن تصنيعه بكميات كبيرة في نهاية المطاف من خلال عملية التصنيع المتداولة على غرار مطبعة الصحف.

فيؤكد، "لقد طورنا تقنيات فعالة للغاية من ناحية التكلفة " ، ويقدر أنه يمكن إنتاجها مقابل شيء مثل عشرات الدولارات للمتر المربع من الإلكترود.

مقارنة النظام الجديد مع غيره من الأنظمة

و بالمقارنة مع غيرها من تقنيات احتجاز الكربون الموجودة ، فإن هذا النظام يتميز بالكفاءة في استخدام الطاقة ، حيث يستخدم حوالي جيجا جول واحد one gigajoule من الطاقة لكل طن من ثاني أكسيد الكربون، و الذي يتم التقاطه بشكل مستمر.

فيقول فوسكيان: إن الأساليب الأخرى الموجودة، لديها استهلاك للطاقة والذي يتراوح بين 1 إلى 10 جيجا جول للطن ، وهذا يتوقف على تركيز ثاني أكسيد الكربون الداخل.

وقد أنشأ الباحثون، شركة أسموها فيردوكس Verdox لتسويق العملية ، و هم يأملون -في نفس الوقت- بتطوير مصنع على نطاق تجريبي خلال السنوات القليلة المقبلة ، كما يؤكد ذلك فوسكيان. ويضيف: "إنه من السهل للغاية توسيع النظام ، إذا كنت تريد سعة أكبر ، فأنت تحتاج فقط إلى إنتاج المزيد من الأقطاب الكهربائية. "

المصدر