إسفنجة لامتصاص ثاني أكسيد الكربون من الهواء

إسفنجة لامتصاص ثاني أكسيد الكربون من الهواء

يؤدي النشاط البشري الآن إلى ما يعادل 40 مليار طن من ثاني أكسيد الكربون المنبعث في الغلاف الجوي كل عام ، مما يضعنا على المسار الصحيح لزيادة درجة حرارة الكوكب بمقدار 1.5 درجة مئوية عن مستويات ما قبل الصناعة بحلول عام 2040. وفقًا للهيئة الحكومية الدولية المعنية بالمناخ التغيير (IPCC) ، يجب أن نحصر ظاهرة الاحتباس الحراري على 1.5 درجة مئوية لتجنب أخطر آثار تغير المناخ.

يدرك العلماء بشكل متزايد أن تقنيات الانبعاثات السلبية (NETs) لإزالة ثاني أكسيد الكربون وعزله من الغلاف الجوي ستكون مكونًا أساسيًا في استراتيجية التخفيف من تغير المناخ. يتابع مختبر لورنس بيركلي الوطني (Berkeley Lab) ، وهو مختبر أبحاث متعدد التخصصات تابع لإدارة الطاقة ، مجموعة من تقنيات الانبعاثات السلبية والأبحاث ذات الصلة. وتتراوح هذه من العزل الجيولوجي والأرضي ، إلى التحويل إلى المنتجات الحيوية ، إلى المفاعلات الحرارية لوقود الهيدروجين.

هناك تقنية واعدة قيد التطوير لشبكات NET هي التقاط الكربون باستخدام مادة تسمى الإطار المعدني العضوي أو الإطار المعدني العضوي. يعمل جيفري لونج ، وهو عالم كبير في قسم علوم المواد في مختبر بيركلي وأستاذ في كلية الكيمياء بجامعة كاليفورنيا في بيركلي ، على هذه المادة الفريدة لعدد من السنوات.

س: ما هي وزارة المالية وما هو الدور الذي يمكن أن تلعبه في الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون؟

الإطار المعدني العضوي ، أو الإطار المعدني العضوي ، هو نوع من المواد الصلبة شديدة المسامية وتتصرف مثل الإسفنج ، قادرة على امتصاص كميات هائلة من جزيء غاز معين ، مثل ثاني أكسيد الكربون. لقد مر حوالي 20 عامًا ، وكان هناك انفجار في البحث على مدار العقد الماضي حيث اكتشف العلماء المزيد والمزيد من التطبيقات العملية. ما يميز الأطر العضوية المعدنية هو أنها تتمتع بمساحات سطحية داخلية عالية للغاية. غرام واحد فقط من الأطر العضوية المعدنية ، وهي كمية مماثلة لمكعب من السكر ، يمكن أن يكون لها مساحة أكبر من مساحة ملعب كرة قدم. وبالتالي ، إذا تم تصميمه بشكل صحيح ، يمكن لكمية صغيرة من الأطر العضوية المعدنية إزالة كمية هائلة من ثاني أكسيد الكربون من غاز العادم الناتج عن احتراق الوقود الأحفوري.

لقد توصلنا إلى اكتشاف صدفة قبل بضع سنوات أن بعض الأطر العضوية المعدنية يمكنها التقاط ثاني أكسيد الكربون من خلال آلية غير مسبوقة تشبه التبديل. لقد قمنا أيضًا بتحسين المادة من أجل الإزالة الفعالة لثاني أكسيد الكربون من مداخن محطة توليد الكهرباء قبل دخول الغاز إلى الغلاف الجوي. أظهرنا أن التقاط وإطلاق ثاني أكسيد الكربون من الأطر العضوية المعدنية يمكن تحقيقه باستخدام تغيرات درجة حرارة أصغر بكثير مما هو مطلوب للتقنيات الأخرى ، مما يمنحه ميزة كبيرة على الطرق التقليدية لالتقاط ثاني أكسيد الكربون. (يمكن بعد ذلك استخدام ثاني أكسيد الكربون الممتز في منتجات أخرى.) تلغي هذه الاستراتيجية الحاجة إلى تحويل البخار عالي القيمة والحرارة بعيدًا عن إنتاج الطاقة ، وتجنب زيادة كبيرة في تكلفة الكهرباء. في سياق هذه الجهود ،

لالتقاط الهواء المباشر ، فإن الأطر العضوية المعدنية هي أفضل طريقة للقيام بذلك كما أراها. بالنسبة لجزء التقاط الكربون من BECCS (أو الطاقة الحيوية مع احتجاز الكربون وتخزينه ، وهي تقنية ناشئة للانبعاثات السلبية) ، حيث تقوم أساسًا بزراعة الأشجار أو المحاصيل ، وتحرقها للحصول على الوقود ، ثم التقاط وعزل ثاني أكسيد الكربون ، أعتقد أن الأطر العضوية المعدنية يمكنها أيضًا القيام بجزء الالتقاط أفضل من أي مادة أخرى.

س: هذا يبدو واعدًا جدًا. ما هو وضع هذه التقنية الآن؟ هل يتم استخدامه تجاريًا؟

تم تأسيس شركة ناشئة تسمى Mosaic Materials (التي لدي فيها مصلحة مالية) في عام 2014 لمتابعة الإنتاج التجاري للأطر العضوية المعدنية لمختلف عمليات فصل ثاني أكسيد الكربون. في Berkeley Lab ، نقود مشروعًا ممولًا من خلال المختبر الوطني لتكنولوجيا الطاقة (NETL) حيث نعمل مع Mosaic Materials وشركة هندسية كندية تسمى Svante لإجراء عرض تجريبي لمحطة توليد الطاقة التي تعمل بالفحم.

هنا ، يمكن أن يؤدي استخدام الأطر العضوية المعدنية في نظام سرير دوار فريد إلى تحقيق أوقات دورات الالتقاط والإفراج السريع وتقليل استهلاك الطاقة. في نهاية المطاف ، من المتصور أن النشر التجاري الواسع لهذه التكنولوجيا يمكن أن يؤدي إلى انخفاض كبير في التكلفة والطاقة المرتبطة باحتجاز الكربون ، حيث يتم تنفيذها بالضرورة في جميع أنحاء العالم.

في أماكن أخرى ، تُستخدم الأطر العضوية المعدنية في الاستخدام التجاري للتخزين الآمن للغازات الخطرة الأخرى. بالنسبة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون ، أود أن أقول إنهم الآن على وشك الاستعداد للنشر التجاري.

س. إذا كان الأمر كذلك ، فما هي الأبحاث الإضافية المطلوبة حول الأطر العضوية المعدنية؟

نحن بحاجة إلى خفض تكلفة التقاط الهواء المباشر بشكل كبير. إنه مكلف للغاية الآن. هناك شركات تقوم بذلك بالفعل – تقوم ببناء وحدات بها مراوح تنفث الهواء من خلال أجهزة تحتوي على مواد مسامية – لكن المواد المستخدمة ليست فعالة للغاية ، مما يجعل تشغيل الوحدات باهظة الثمن. تتراوح تكلفة إزالة ثاني أكسيد الكربون بهذه التكنولوجيا حاليًا من 500 دولار إلى 1000 دولار للطن. نحتاج إلى ابتكار مواد ذات أداء أعلى للمساعدة في خفض التكلفة إلى أقل من 100 دولار للطن.

تكمن المشكلة الرئيسية وراء هذه التكلفة المرتفعة في مقدار الطاقة المطلوبة لتجديد مادة الامتصاص – أي لإطلاق ثاني أكسيد الكربون في شكل نقي حتى يمكن استخدام المادة مرة أخرى لالتقاط المزيد من ثاني أكسيد الكربون. هنا ، نعتقد أن آلية الامتصاص التعاونية التي يمكن الوصول إليها في الأطر العضوية المعدنية يمكن أن تقلل بشكل كبير من متطلبات الحرارة والفراغ للتجديد.

هناك اعتبار آخر ، رغم ذلك ، هو الطاقة اللازمة لنفخ الهواء. إذا كان لديك تيار من الهواء يصل إلى 410 أجزاء لكل مليون من ثاني أكسيد الكربون ، فإن إحدى الصعوبات هي أن معظم المواد قد تزيل كمية صغيرة من ذلك وتخفض تركيز ثاني أكسيد الكربون ، على سبيل المثال ، 300 جزء في المليون ، وتلتقط 25٪ من ثاني أكسيد الكربون. هذا ما يسمى معدل الالتقاط. وبعد ذلك لالتقاط المزيد ، عليك أن تقوم أساسًا بتدفق المزيد من الهواء عبر المادة لملئها.

ولكن مع معدل التقاط ، على سبيل المثال ، 90٪ يمكنك خفض تركيز ثاني أكسيد الكربون إلى 40 جزءًا في المليون بتمريرة واحدة. هذا يعني أنك تهب كمية أقل بكثير من الهواء لإزالة ثاني أكسيد الكربون وبالتالي توفير الطاقة.

يتمثل أحد أهدافنا البحثية في تطوير مواد ذات قدرة عالية ، ومعدل التقاط مرتفع ، وحركية سريعة لامتصاص ثاني أكسيد الكربون ، ودرجة حرارة منخفضة للتجديد ، مع الحد أيضًا من امتصاص الماء المشترك حتى لا تهدر الطاقة في امتصاصه إذا لم تكن بحاجة لذلك. الخواص الحركية تعني مدى سرعة امتصاص المادة لثاني أكسيد الكربون.

أعتقد أن هناك طريقًا للوصول إلى أقل من 100 دولار لكل طن من ثاني أكسيد الكربون يتم إزالته من الهواء. لا يزال هناك الكثير من البحث المطلوب للوصول إلى هناك. نحتاج حقًا إلى إعادة التفكير في بعض الطرق التي يتم بها تصميم المواد وفهم كيفية التعامل مع أشياء مثل delta-S (الانتروبيا) لامتصاص ثاني أكسيد الكربون ، بحيث تكون هناك حاجة إلى حرارة أقل لإطلاق ثاني أكسيد الكربون.