إزالة الغازات المسببة للاحتباس الحراري من محطات توليد الطاقة

نموذج الكمبيوتر يساعد في إزالة الغازات المسببة للاحتباس الحراري من محطات توليد الطاقة

طور فريق من العلماء نموذجًا حاسوبيًا يمكنه تحديد أفضل الجزيئات المرشحة لإزالة غازات الاحتباس الحراري من محطات توليد الطاقة ، مما يوفر محاكاة دقيقة للتفاعلات بين غازات المداخن والأطر المعدنية العضوية.

تم تطوير نموذج كمبيوتر يمكنه تحديد أفضل الجزيئات المرشحة لإزالة ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين الجزيئي وغازات الاحتباس الحراري الأخرى من مداخن محطة الطاقة من قبل باحثين مع مختبر لورانس بيركلي الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (مختبر بيركلي) ، جامعة كاليفورنيا (UC) بيركلي وجامعة مينيسوتا. النموذج هو أول طريقة حسابية لتوفير محاكاة دقيقة للتفاعلات بين غازات المداخن ومجموعة متنوعة خاصة من الأنظمة الجزيئية لالتقاط الغاز المعروفة باسم الأطر المعدنية العضوية ( MOFs ). يجب أن تسرع بشكل كبير البحث عن طرق جديدة منخفضة التكلفة وفعالة لحرق الفحم دون تفاقم تغير المناخ العالمي.

بيرند سميت ، وهو سلطة دولية في المحاكاة الجزيئية لديه تعيينات مشتركة مع قسم علوم المواد في مختبر بيركلي وجامعة كاليفورنيا في بيركلي حيث يدير مركز أبحاث حدود الطاقة في بيركلي ، وقد شارك في تطوير هذا النموذج الحسابي مع لورا جاجلياردي ، أستاذة الكيمياء في الجامعة مينيسوتا.

يقول سميت: “لقد طورنا منهجية حسابية جديدة تنتج مجالات قوة دقيقة – معلمات تصف الطاقة الكامنة لنظام جزيئي – للتنبؤ بشكل صحيح بامتصاص ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين الجزيئي بواسطة الأطر العضوية المعدنية مع المواقع المعدنية المفتوحة”. “فشلت جميع المحاولات السابقة لتطوير مثل هذه المنهجية وتخلى معظم الناس عن المحاولة ، ولكن نموذجنا قابل للتطبيق على مجموعة واسعة من الأنظمة ويمكن استخدامه للتنبؤ بخصائص الأطر العضوية المعدنية في الموقع المفتوح التي لم يتم تصنيعها بعد.”

Smit و Gagliardi هما المؤلفان المقابلان لورقة بحثية تصف هذا البحث في مجلة Nature Chemistry . عنوان الورقة “Ab initio احتجاز الكربون في أطر عضوية معدنية مفتوحة الموقع.” المؤلفون المشاركون هم أليسون دزوباك ، ولي تشيانغ لين ، وجيهان كيم ، وجوزيف سويشر ، وروبرتا بولوني ، وسيرجي ماكسيموف.

بالنظر إلى أن الولايات المتحدة تمتلك أكبر احتياطيات تقديرية قابلة للاسترداد من الفحم في العالم ، ستظل محطات الطاقة التي تعمل بحرق الفحم مصدرًا رئيسيًا لتوليد الكهرباء في بلادنا في المستقبل المنظور. ومع ذلك ، نظرًا للمخاوف المتزايدة بشأن مساهمات حرق الفحم في تغير المناخ العالمي ، هناك حاجة ملحة إلى وسيلة فعالة واقتصادية لإزالة غازات الاحتباس الحراري من المداخن قبل دخول تلك الغازات إلى الغلاف الجوي. التقنيات الحالية المقترحة لالتقاط انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ، على أساس الأمينات أو الأنظمة الجزيئية الأخرى ، سوف تستخدم حوالي ثلث الطاقة التي تولدها محطات الطاقة. ستؤدي هذه “الطاقة الطفيلية” إلى ارتفاع أسعار الكهرباء بشكل كبير.

الأطر العضوية المعدنية هي أنظمة جزيئية بلورية يمكن أن تعمل كأوعية تخزين ذات قدرة تشبه الإسفنج لالتقاط واحتواء ثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى. تتكون الأطر العضوية المعدنية من مركز أكسيد معدني محاط بجزيئات “رابط” عضوية لتشكيل إطار بلوري ثلاثي الأبعاد مسامي للغاية. عندما يتم تطبيق جزيء مذيب أثناء تكوين الأطر العضوية المعدنية ثم يتم إزالته لاحقًا ، تكون النتيجة هي موقع معدني غير مشبع “مفتوح” في موقع معدني له ميل قوي بشكل خاص لثاني أكسيد الكربون.

يقول سميت: “تتمتع الأطر العضوية المعدنية بمساحة سطح داخلية كبيرة للغاية ، ومقارنة بالمواد الماصة الشائعة الأخرى ، تعد بتخصيص محدد للغاية لكيميائياتها ويمكن أن تخفض بشكل كبير تكاليف الطاقة الطفيلية في محطات الطاقة التي تعمل بحرق الفحم”. “ومع ذلك ، هناك الملايين من الاختلافات المحتملة في الأطر العضوية المعدنية ، وبما أنه من وجهة نظر عملية لا يمكننا سوى تصنيع جزء صغير جدًا من هذه المواد ، فقد يستغرق البحث عن المواد المناسبة سنوات. يوفر نموذجنا هذا الوقت من خلال تمكيننا من تجميع تلك الأكثر مثالية فقط “.

نماذج مجال القوة التي تم تطويرها للتنبؤ بخصائص الامتصاص للأطر العضوية المعدنية الأخرى تقلل عادةً من خصائص الأطر العضوية المعدنية في المواقع المعدنية المفتوحة بمقدار ضعفين من حيث الحجم. وذلك لأن الأطر العضوية المعدنية في المواقع المعدنية المفتوحة تفرض بيئات كيميائية مختلفة تمامًا عن الأطر العضوية المعدنية التي تم أخذها في الاعتبار في التطوير الأصلي لنماذج مجال القوة. واجه سميت وزملاؤه التحدي المتمثل في الأطر العضوية المعدنية في الموقع المفتوح باستخدام أحدث الحسابات الكيميائية الكمومية واستراتيجية تستند إلى منهجية إمكانات النموذج غير التجريبي (NEMO).

يقول سميت: “في إطار منهجية NEMO هذه ، تتحلل طاقة التفاعل الإلكتروني الكلية التي يتم الحصول عليها من الحسابات الكيميائية الكمومية إلى عوامل مساهمة مختلفة ، مثل الكهرباء الساكنة ، والمنفرة ، والتشتت ، وما إلى ذلك”. “باستخدام النموذج الذي طورناه ، تمكنا من إعادة إنتاج متساوي درجة حرارة الامتصاص التجريبي لثاني أكسيد الكربون والنيتروجين الجزيئي والتنبؤ بشكل صحيح بتساوي حرارة الخليط في ظروف غاز المداخن في Mg-MOF-74 ، وهو موقع معدني مفتوح ظهر كواحد من الأكثر واعدة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون “.

يجب أن يمكّن عمومية منهجيتهم سميت وزملائه من تطوير نماذج مجال القوة لتركيبات واسعة من مختلف المعادن ، والروابط ، والطبولوجيا. يجري العمل بالفعل لتطبيق النموذج على أنظمة جديدة قائمة على الأمين لإزالة ثاني أكسيد الكربون من عادم المداخن.