يُعدّ احتجاز ثاني أكسيد الكربون من المصانع استراتيجية مهمة في الجهود المبذولة للحد من آثار تغير المناخ العالمي، ويُستخدم هذا الأسلوب في العديد من الصناعات، بما في ذلك إنتاج البتروكيماويات والأسمنت والأسمدة.
اكتشف مهندسو الكيمياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طريقةً بسيطةً لجعل عملية احتجاز الكربون أكثر كفاءةً وأقل تكلفةً، وذلك بإضافة مركب كيميائي شائع إلى محاليل الاحتجاز.
ويمكن لهذا الابتكار أن يخفض التكاليف بشكلٍ كبير، ويُمكّن هذه التقنية من العمل باستخدام الحرارة المهدرة أو حتى ضوء الشمس، بدلاً من التدفئة التي تستهلك كمياتٍ كبيرةً من الطاقة.
تعتمد طريقتهم الجديدة على مادة كيميائية تُسمى “تريس” (ثلاثي هيدروكسي ميثيل أمينو الميثان) وذلك لتثبيت درجة حموضة المحلول pH المستخدم لالتقاط ثاني أكسيد الكربون، مما يسمح للنظام بامتصاص كمية أكبر من الغاز عند درجة حرارة منخفضة نسبياً.
يستطيع النظام إطلاق ثاني أكسيد الكربون عند 60 درجة مئوية فقط، وهو تحسن ملحوظ مقارنةً بالطرق التقليدية التي تتطلب درجات حرارة تتجاوز 120 درجة مئوية لإطلاق الكربون الملتقط.
يقول تي آلان هاتون، أستاذ رالف لانداو لممارسة الهندسة الكيميائية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمؤلف الرئيسي للدراسة: “إنه شيء يمكن تنفيذه على الفور تقريباًً في أنواع المعدات القياسية إلى حد ما”.
يوهونغ (نانسي) غو، الحاصلة على درجة الدكتوراه من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والتي تشغل الآن منصب أستاذ مساعد في العلوم الفيزيائية التطبيقية في جامعة نورث كارولينا في تشابل هيل، هي المؤلفة الرئيسية للورقة البحثية التي تظهر اليوم في مجلة Nature Chemical Engineering.
التقاط أكثر كفاءة
باستخدام التقنيات الحالية، يتم التقاط حوالي 0.1 بالمائة من انبعاثات الكربون العالمية وتخزينها تحت الأرض أو تحويلها إلى منتجات أخرى.
تعتمد الطريقة الأكثر شيوعاًً لالتقاط الكربون على تمرير الغازات العادمة عبر محلول يحتوي على مركبات كيميائية تُسمى الأمينات، تتميز هذه المحاليل بدرجة حموضة عالية، مما يسمح لها بامتصاص ثاني أكسيد الكربون، وهو غاز حمضي.
بالإضافة إلى الأمينات التقليدية، يمكن أيضاًً استخدام مركبات قاعدية تُسمى الكربونات، وهي رخيصة ومتوفرة بكثرة، لالتقاط غاز ثاني أكسيد الكربون الحمضي.
مع ذلك، ومع امتصاص ثاني أكسيد الكربون، تنخفض درجة حموضة المحلول بسرعة، مما يحد من قدرة المحلول على امتصاصه.
تأتي الخطوة الأكثر استهلاكاً للطاقة بعد امتصاص ثاني أكسيد الكربون، إذ يجب تسخين كل من محلول الأمين ومحلول الكربونات إلى ما يزيد عن 120 درجة مئوية لتحرير الكربون الممتص، وتستهلك هذه الخطوة التجديدية كميات هائلة من الطاقة.
لزيادة كفاءة احتجاز الكربون بواسطة الكربونات، أضاف فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مادة التريس إلى محلول كربونات البوتاسيوم، تعمل هذه المادة الكيميائية، الشائعة الاستخدام في التجارب المخبرية والموجودة في بعض مستحضرات التجميل ولقاحات mRNA لفيروس كوفيد-19، كمنظم لدرجة الحموضة – أي محلول يساعد على منع تغير درجة الحموضة.
عند إضافته إلى محلول الكربونات، يعمل التريس ذو الشحنة الموجبة على معادلة الشحنة السالبة لأيونات البيكربونات المتكونة عند امتصاص ثاني أكسيد الكربون، وهذا يُثبّت درجة الحموضة، مما يسمح للمحلول بامتصاص ثلاثة أضعاف كمية ثاني أكسيد الكربون.
ومن المزايا الأخرى، أن مادة التريس حساسة للغاية لتغيرات درجة الحرارة. فعند تسخين المحلول المشبع بثاني أكسيد الكربون تسخيناً طفيفاً، إلى حوالي 60 درجة مئوية، تُطلق مادة التريس البروتونات بسرعة، مما يؤدي إلى انخفاض الرقم الهيدروجيني وخروج ثاني أكسيد الكربون المحتجز على شكل فقاعات.
يقول غو: “في درجة حرارة الغرفة، يمكن للمحلول امتصاص المزيد من ثاني أكسيد الكربون، ومع التسخين المعتدل يمكنه إطلاق ثاني أكسيد الكربون، يحدث تغيير فوري في درجة الحموضة عندما نقوم بتسخين المحلول قليلاً”.
يقول ديفيد هيلدبرانت، الأستاذ المشارك في الهندسة الكيميائية والهندسة الحيوية بجامعة ولاية واشنطن، والذي لم يشارك في الدراسة: “يُعدّ كربونات البوتاسيوم أحد أفضل المذيبات في مجال احتجاز الكربون نظراًً لاستقراره الكيميائي العالي، وتكلفته المنخفضة، وانبعاثاته الضئيلة”. ويضيف: “أعتقد أن نظام مذيب كربونات البوتاسيوم المُحفّز بالثلاثي الكهروكيميائي هذا يحمل في طياته إمكانات كبيرة في مجال احتجاز الكربون، لا سيما وأن الباحثين تمكنوا من تحسين كفاءة الطاقة من خلال التجديد عند الضغط الجوي، مقارنةً بالتجديد بمساعدة الفراغ، وهو الأسلوب المُستخدم عادةً”.
تبديل بسيط
ولإثبات جدوى منهجهم، قام الباحثون ببناء مفاعل ذي تدفق مستمر لالتقاط الكربون، في البداية، تُمرر الغازات المحتوية على ثاني أكسيد الكربون عبر خزان يحتوي على الكربونات والتريس، الذي يمتص ثاني أكسيد الكربون، ثم يُضخ هذا المحلول إلى وحدة تجديد ثاني أكسيد الكربون، والتي تُسخن إلى حوالي 60 درجة مئوية لإطلاق تيار نقي من ثاني أكسيد الكربون.
بمجرد إطلاق ثاني أكسيد الكربون، يتم تبريد محلول الكربونات وإعادته إلى الخزان لجولة أخرى من امتصاص ثاني أكسيد الكربون وتجديده.
نظراً لأن النظام يمكن أن يعمل في درجات حرارة منخفضة نسبياً، فهناك مرونة أكبر في مصدر الطاقة، مثل الألواح الشمسية أو الكهرباء أو الحرارة المهدرة التي تولدها المصانع الصناعية بالفعل.
يقول الباحثون إن استبدال الأمينات التقليدية بمحاليل الكربونات الثلاثية سيكون أمراً بسيطاً بالنسبة للمنشآت الصناعية، ويضيف هاتون: “من مميزات هذا الأسلوب بساطته من حيث التصميم العام، إنه أسلوب سهل الاستخدام يسمح بالتحويل الفوري من نوع محلول إلى آخر”.
يقول هاتون إنه عندما يتم التقاط الكربون من المصانع الصناعية، يمكن تحويل جزء منه إلى تصنيع منتجات مفيدة أخرى، ولكن من المرجح أن ينتهي المطاف بمعظمه إلى التخزين في التكوينات الجيولوجية تحت الأرض.
ويقول: “لا يمكنك استخدام سوى جزء صغير من ثاني أكسيد الكربون الذي تم التقاطه لإنتاج المواد الكيميائية قبل أن تشبع السوق”.
يستكشف غو الآن ما إذا كان بإمكان إضافات أخرى أن تجعل عملية احتجاز الكربون أكثر كفاءة من خلال تسريع معدلات امتصاص ثاني أكسيد الكربون.
