الانبعاثات الدورية – إنشاء الميثان من ثاني أكسيد الكربون

عملية جديدة تمكّن العلماء من إنشاء الميثان من ثاني أكسيد الكربون قد تُحدث ثورة في السوق، مما يسمح للمصنعين بإنشاء أنظمة كربون مغلقة الحلقة. تستخدم العملية الكيمياء الكهربائية ونماذج رياضية متقدمة لتحويل ثاني أكسيد الكربون الملتقَط مباشرة إلى ميثان مفيد. إليكم ما تحتاجون إلى معرفته.

ثاني أكسيد الكربون غاز دفيئة ضار يُعد أحد الأسباب الرئيسية للاحتباس الحراري ومشكلات بيئية أخرى. لقد ابتكر العلماء العديد من الأساليب لمكافحة آثار CO2 على البيئة. من تقليل الانبعاثات، وتعزيز الطاقة النظيفة، وحتى فرض ضرائب على الكربون، كان الهدف دائمًا تقليل الأضرار الناجمة عن CO2.

أنظمة التقاط الكربون

أصبح مفهوم التقاط الكربون أكثر شيوعًا خلال السنوات الخمس الأخيرة. تقوم هذه الأنظمة بإزالة CO2 من الغلاف الجوي وتخزينه. هناك العديد من الطرق التي استخدمها المهندسون لتحقيق هذه المهمة. معظمها يستخدم تفاعلًا كيميائيًا لعزل CO2 عن الغازات الأخرى ثم تحويله إلى مواد كيميائية أخرى ذات قيمة.

لقد أثبتت هذه المفاهيم نجاحها لكنها لا تزال في مراحلها الأولية، حيث يبقى معظمها مكلفًا ويفتقر إلى القابلية للتوسع. لكي تصبح هذه التقنية ذات تأثير حقيقي، يجب توسيع نطاقها إلى مستوى صناعي، مما يتيح لها تقديم أفضل النتائج للمجتمع.

عملية متعددة الخطوات

عقبة رئيسية أخرى في أكثر أشكال التقاط الكربون شيوعًا اليوم هي أنها قد تتطلب عدة خطوات. كل خطوة قد تستغرق وقتًا وتتطلب عمليات محددة جدًا. في معظم الحالات، تكون الخطوة الأولى هي التقاط وجمع CO2. من هناك، يقوم كل نظام بتنفيذ عمليته لإكمال التحويل. كل تفاعل كيميائي يضيف إلى الوقت، التعقيد، والتكاليف الإجمالية.

مواد كيميائية خطرة

تعتمد العديد من أكثر خيارات التقاط الكربون شيوعًا في السوق اليوم على تفاعلات كيميائية. تمتلك هذه الأنظمة منتجات فرعية ضارة تقلل من الفوائد إلى حد ما. يجب تخزين المواد الكيميائية الخطرة ونقلها والتخلص منها بطريقة محددة، مما يزيد من التكلفة الإجمالية لكل رطل من الكربون الملتقط.

دراسة الانبعاثات الدورية

نشرت دراسة حديثة في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية بعنوان “Integrated carbon dioxide capture by amines and conversion to methane on single-atom nickel catalysts”¹ تستكشف منهجية جديدة تقلل من متطلبات الطاقة ويمكن أن تكون ذاتية الطاقة. تشرح الدراسة طريقة تحول CO2 إلى ميثان بأمان.

المصدر – مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية

يُعد هذا التطور علامة فارقة كبرى، حيث إن ثاني أكسيد الكربون هو أحد المنتجات الثانوية الرئيسية لحرق الميثان. سعى العلماء طويلاً لإنشاء حلقة كربون مغلقة. يشير هذا المصطلح إلى نظام يمكنه الاستفادة من منتجاته الثانوية لاستمرار العمليات. تحديدا، توضح الورقة كيف نجحوا في تحويل الكرباميت إلى ميثان.

في الورقة، تم التقاط CO2 باستخدام محلول غسيل بالأمينات. ثم تم تمرير الكرباميت عبر محفز قائم على النيكل، الذي احتوى على ذرات النيكل مرتبة بنمط محدد استنادًا إلى نماذج رياضية متقدمة.

اختبار الانبعاثات الدورية

لاختبار ما إذا كان التحويل قد اكتمل، استخدم المهندسون مجموعة متنوعة من الأدوات البحثية المتقدمة بما في ذلك مطيافية الفوتونات بالأشعة السينية (XPS) والمجهر الإلكتروني (EM). أظهرت هذه الأجهزة أن التحويل اكتمل بنجاح وتم تحويل CO2 إلى ميثان.

استفاد المهندسون من حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) كجزء من منهجيتهم. سمحت لهم هذه النماذج بالتنبؤ بشكل أفضل من خلال رسم أفضل توزيع للإلكترونات. بالإضافة إلى ذلك، دمج المهندسون نموذج القطب الهيدروجيني الحاسوبي (CHE) لحساب طاقات التفاعل الحرة. وكان هذا النموذج أيضًا أساسيًا في تحديد خطوات نقل الإلكترون المرتبطة بالبروتون الدقيقة في كل تفاعل.

نتائج الانبعاثات الدورية

أظهرت النتائج أن النيكل ذي الذرة الواحدة (Ni) الموزع على الذهب (Au) ينتج CH4 كمنتج أساسي. وأظهر ذلك أن الفريق نجح في تحويل CO2 إلى ميثان وتتبع كل خطوة من العملية. الهدف الآن هو تحسين الكفاءة لتعظيم إنتاج الطاقة لكل حلقة مغلقة.

فوائد الانبعاثات الدورية

تقدم هذه الأبحاث عدة فوائد للسوق. أولاً، تُبسط الطريقة الجديدة عملية التقاط وتحويل الكرباميت إلى منتج مفيد، وهو الميثان. العملية سريعة ولا تُنتج منتجات فرعية ضارة أو غير مفيدة. بالإضافة إلى ذلك، لا تتطلب كميات هائلة من الكهرباء.

طاقة منخفضة

وفقًا للباحثين، توفر هذه الطريقة الجديدة أقل متطلبات الطاقة الممكنة لأولئك الذين يسعون إلى التقاط الكربون وتحويله. التفاعلات الكهروكيميائية فعّالة وأقل تكلفة من البدائل ويمكن إجراؤها في الموقع.

عملية خطوة واحدة

فائدة أخرى لهذه الطريقة الجديدة لالتقاط الكربون وتحويله هي أنها تجمع كل خطوة في عملية واحدة. بشكل فريد، يتم التقاط الكربون وتحويله في خطوة واحدة. يقلل هذا النهج من التعقيد، ويحسن الاستقرار، ويقدم شفافية أكبر بكثير.

الباحثون

قاد توماز نيفيس-غارسيا الدراسة التي أجريت في جامعة ولاية أوهايو. بالإضافة إلى ذلك، يُدرج كوانسونغ زهو، روبرت بيكر، ليان إم. روسي، محمودول حسن، روبرت إي. واربرتون، جينغ لي، وهيلانغ وانغ من جامعة ييل ككتاب مشاركين في الدراسة. الآن يسعى الفريق إلى توسيع عمليتهم لخدمة القطاع الصناعي.

الشركات التي قد تستفيد من أبحاث الانبعاثات الدورية

يمكن للعديد من الشركات تحسين أرباحها إذا دمجت هذه الأبحاث في نماذج أعمالها. هذه الشركات تعمل بالفعل في نظام التقاط الكربون أو الغاز الطبيعي وقد استثمرت طاقة وجهدًا كبيرين في إنشاء منتجات فريدة لخدمة هذا السوق.

Air Products and Chemicals, Inc. (APD)

تأسست شركة Air Products and Chemicals Inc (APD ) في ديترويت، ميشيغان، عام 1940 على يد رائد أعمال محلي يُدعى ليونارد باركر بول. في ذلك الوقت، كانت الشركة تركز على تصنيع مولدات صغيرة للاستخدام خلال الحرب العالمية الثانية. بعد انتهاء الحرب، التزمت الشركة بتوسيع منتجاتها وعروضها.

على مدار الـ80 سنة الماضية، أصبحت Air Products and Chemicals Inc. مزودًا عالميًا معروفًا للغازات. تمتلك الشركة تاريخًا حيويًا في الأسواق الأمريكية والدولية. تركيزها على الخدمة والعملاء من فئة المؤسسات الكبيرة ساعد الشركة على تحقيق عوائد ضخمة وتوسيع عملياتها.

حصلت Air Products and Chemicals Inc. على العديد من الجوائز خلال مسيرتها لتصبح واحدة من أكثر الخيارات شعبية للمصنعين الباحثين عن غاز الميثان. في عام 2008، تم إدراجها في مؤشر داو جونز للاستدامة في أمريكا الشمالية كسهم ذو أداء متميز.

اليوم، تُظهر APD مكاسب قوية على مدار السنة بفضل مجموعة من العوامل بما في ذلك التطورات في عملياتها، وإدارة الأعمال الذكية، وزيادة استخدام الميثان. إذا تمكنت APD من دمج هذه التقنية في نموذج أعمالها، يمكنها خفض تكاليف التصنيع بشكل كبير. حاليًا، تبلغ القيمة السوقية لـ APD 73.961 مليار دولار وتظهر مكاسب إيجابية لهذا العام.

Delta CleanTech Inc. (OTC)

شركة كندية متخصصة في تقليل الأثر الكيميائي، Delta CleanTech Inc. دخلت السوق سعيًا لتحسين تقنية التقاط الكربون الحالية. اكتسبت الشركة بسرعة شهرة بفضل ميزاتها وخدماتها الفريدة. يمكن للأعمال الاستفادة من خبرة Delta CleanTech لتقليل انبعاثات CO2 وغيرها من الانبعاثات الضارة.

تمتلك الشركة عدة منتجات ذات تأثير متاح اليوم. على سبيل المثال، يتيح Delta Reclaimer للشركات تنقية المذيبات. بالإضافة إلى ذلك، تقدم الشركة حاليًا منتجًا يُدعى MethanatorRX يمكنه تفكيك الميثان بأمان إلى منتجات غير ضارة. كما تقدم الشركة خدمة CarbonRX التي تسمح للأعمال بتعظيم استخدام أرصدة الكربون الخاصة بهم.

أنظمة التقاط الكربون الأخرى التي تستحق المعرفة

لحسن الحظ، ليس باحثو جامعة ولاية أوهايو وراء دراسة الانبعاثات الدورية وحدهم في سعيهم لإنقاذ البيئة عبر تقليل CO2. إليكم بعض الطرق الأخرى المثيرة التي لديها القدرة على تقليل انبعاثات CO2 بشكل كبير في المستقبل.

المفاعل الكهروكيميائي

قدمت فريق من المهندسين بقيادة جامعة RICE أول جهاز لالتقاط الهواء المباشر يعمل في درجة حرارة الغرفة على مستوى العالم. يمكن لهذا المفاعل التقاط الكربون من الهواء دون ترك أي منتجات فرعية. مثل فريق OSU، يتخلص عمليتهم الكهروكيميائية من المواد الماصة القائمة على الأمينات مثل هيدروكسيد الصوديوم والبوتاسيوم.

ومن المثير للاهتمام أن المنتج الفرعي لهذه العملية كان الهيدروجين، وهو مادة كيميائية مفيدة جدًا يمكنها تشغيل نفس العمليات. بالإضافة إلى ذلك، فإن إلغاء الحرارة والمواد الكيميائية الإضافية يحسن استدامة هذا النهج ويجعله قابلًا للتطبيق عالميًا.

المستقبل

مستقبل تقنية التقاط الكربون يبدو مشرقًا. هذه الأنظمة تسلط الضوء على المعركة ضد التلوث. نهج الفريق الفريد وقدرته على إنشاء الميثان من CO2 ثوري على مستويات متعددة. أولاً، يساعد ذلك العلماء على فهم أفضل لفوائد ومساوئ الأنظمة المغلقة وكيفية تحسين هذه الجوانب لتعزيز الأداء.

خاتمة الانبعاثات الدورية

يجب أن نعطي الفضل لفريق OSU وراء هذا البحث. لطالما حلم العلماء بإغلاق حلقة الكربون بطريقة قد تكون مفيدة للجميع. الآن، يمكن إعادة تدوير التلوث الخاص بكم إلى طاقة، وتبدأ دورة الانبعاثات. وبالتالي، يمكنكم توقع مزيد من التركيز على التقاط CO2، إلى جانب سياسات وحملات التخفيض الحراري.

تعرّف على مشاريع بيئية رائعة أخرى اليوم today.

مرجع الدراسة:

^{1. Neves-Garcia, T., Hasan, M., Zhu, Q., Li, J., Jiang, Z., Liang, Y., Wang, H., Rossi, L. M., Warburton, R. E., & Baker, L. R. (2024). التقاط ثاني أكسيد الكربون المتكامل بواسطة الأمينات وتحويله إلى ميثان على محفزات النيكل ذات الذرة الواحدة. Journal of the American Chemical Society, 146(46), 31633–31646. https://doi.org/10.1021/jacs.4c09744}