تحويل ثاني اوكسيد الكربون الى مركبات صديقه للبيئه

Haydar Haydar

              تحويل ثاني اوكسيد الكربون CO2                الى مركبات صديقه للبيئه 

 تدوير ثاني اوكسيد الكربون

وهي عملية تحويل غاز ثاني أكسيد الكربون الملتقط من الهواء مباشرةً إلى منتجات اخرى مفيده كمواد كيميائيه والتي اهمها الميثانول الذي يستعمل كوقود بديل وصديق للبيئه  او منتجات مثل البلاستك وغيرها  وتظهر الفائدة على شقين،

•  إزالة ثاني أكسيد الكربون الضار من الغلاف الجوي.
•  الاستفادة من منتجات التدوير.
   

ما هو مصدر غاز ثاني اوكسيد الكربون ؟

ثاني أكسيد الكربون هو أحد المركّبات الكيميائيّة الطبيعية التي توجد في الطبيعة نتيجةً لاتحاد ذرّة من عنصر الكربون وذرتين من الأكسجين، ويوجد ثاني أكسيد الكربون في الجو على شكل غاز في درجات الحرارة الطبيعية، فيعدّ ثاني أكسيد الكربون أحد أجزاء دورة الكربون وأحد أجزاء دورة الأاكسجين أيضاً؛ فهو يوجد في الطبيعة ويعدّ مهمّاً بشكل كبيرٍ جداً في الحياة؛ إذ يوجد في الطبيعة بنسبةٍ تقارب 0.04% من حجم الغلاف الجوي، ولكن ومع هذه النسبة البسيطة يعدّ مهمّاً جداً في دورة النبات؛ إذ يقوم النبات باستخدامه في عمليّة البناء الضوئي من أجل إنتاج السكر في النبات وإنتاج الأكسجين أيضاً. ولكن وفي الآونة الأخيرة ومع ازدياد العمليات الصناعيّة المختلفة وازدياد استخدام مشتقّات الوقود الأحفوري أصبحت نسبة ثاني أكسيد الكربون تتزايد بشكلٍ أكبر من السابق بكثير ممّا أصبح يؤثر على الغلاف الجوي ويتسبّب بمظاهر التلوث المختلفة التي نلاحظها في أيامنا الحالية، فلثاني أكسيد الكربون العديد من المصادر المختلفة والتي أوّلها: التنفّس الذي يقوم به الإنسان والحيوانات وحتى النباتات؛ إذ إننّا في عملية التنفس نقوم بسحب الأكسجين من الجو الّذي يتفاعل في داخل الجسم مع السكّر لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون والطاقة والماء، ويزداد إنتاجه كلّما قام الإنسان بجهد أكبر كي يوفّر الجسم الطاقة التي يحتاجها لتغطية هذا الجهد. أمّا أحد مصادر ثاني أكسيد الكربون والتي ربما تعدّ أول مصادره على سطح الأرض هي البراكين الّتي تطلق كميّاتٍ كبيرةً من ثاني أكسيد الكربون في الجو، كما أن الكائنات الحيّة والمركبات العضوية تطلق ثاني أكسيد الكربون أيضاً عند تحلّلها إلى مركباتٍ بسيطة، وتعدّ هذه المصادر التي ذكرناها لثاني أكسيد الكربون كالتنفس والتحلل والبراكين مصادر طبيعيةً لهذا الغاز، وتستطيع الطبيعة التعامل معه عن طريق عملية البناء الضوئي ممّا لا يسبّب تلوثاً في الجو. وبعد أن تدخّل البشر في الطبيعة ازداد إنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون بشكلٍ كبيرٍ جداً خلال القرن والنصف الماضيين؛ إذ إنّ حرق الوقود الأحفوري يعدّ من أكثر مصادر ثاني أكسيد الكربون في الوقت الحالي والتي تؤثر على الطبيعة بشكل كبيرٍ جداً لا نستطيع معالجته؛ فخلال عمليّة الاحتراق يتفاعل الأكسجين الموجود في الجو مع الكربون الموجود في المواد المحترقة مشكلّاً ثاني أكسيد الكربون، كما أنّ صناعة الإسمنت تعدّ أحد مصادر ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن التدخّلات البشريّة؛ إذ تصل النسبة إلى حوالي 5% من نسبة غاز ثاني أكسيد الكربون الّذي يقوم البشر بإطلاقه في الجو.

ماهو مركب الميثانول ؟

الكحول الميثيلي (الميثانول) CH₃OH مركب هيدروكربوني يتألف من الكربون والهيدروجين والأكسجين الذي ينتمي لصنف الكحولات صيغته العامة CH3OH يدعى أيضا كحول الخشبي لإمكانية تحضيره من التقطير الاتلافي للخشب (أو حرق الخشب وتقطيره بعزله عن الهواء)،بحيث يعتبر من أحد  العناصر المكونة للكثير من المركبات الكيميائية والمنتجات ذات الاستعمال اليومي ،و يمكن استخدامه لأغراض كثيرة بما في ذلك الصناعة.

تحويل CO2 الى ميثانول 

كان الكيميائيون على مدى الأعوام العديدة الماضية يبحثون عن طرقٍ مختلفةٍ لإعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون إلى منتجاتٍ مفيدةٍ. على سبيل المثال، يمكن لمعالجة ثاني أكسيد الكربون (CO2) مع غاز الهيدروجين (H2) أن تُنتج الميثانول، الميثان (CH4)، أو حمض الفورميك HCOOH)) . إلا أنه من بين هذه النواتج، فإن للميثانول جاذبيةٌ خاصةٌ لاستخداماتِه كوقود بديل، في خلايا الوقود، ولتخزين الهيدروجين.تُنتج مصانع الكيماويات اليوم أكثر من 70 مليون طنٍ من الميثانول سنوياً باعتباره وحدة بناءٍ أساسيةٍ لصناعة العديد من المركبات، بما في ذلك اثنين من أكثر المركبات العضوية إنتاجاً، الإثيلين والبروبيلين، والمستخدمَين في صناعة البلاستيك وغيرها من المنتجات.يُعد إيجاد محفزٍ متجانسٍ جيدٍ عاملاً أساسياً في عملية تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى ميثانول، وذلك لكونه أساسياً في زيادة سرعة التفاعلات الكيميائية لإنتاج الميثانول بمعدلٍ سريعٍ. لكن مشكلة تلك التفاعلات أنها تتطلب درجات حراره عاليه (حوالي 1500 درجةً مئويةً)، ولسوء الحظ فإن الحرارة  تتسبب في تحلل المحفزات ولمعالجة هذا الامر طور الباحثون في دراسةٍ جديدةٍ محفزاً أكثر استقراراً بالاعتماد على فلز الروثينيوم (Ru) الذي لا يتحلل عند درجات الحرارة العالية كما يسمح الاستقرار الجيد لهذا العامل المحفز بإعادة استخدامه مراتِ عديدةِ لعملية الإنتاج المستمرة للميثانول.           اظهر الباحثون أنه يمكن تحويل حتى 79% من ثاني أكسيد الكربون الملتقط من الهواء إلى ميثانول باستخدام المحفز الجديد إلى جانب بعض المركبات البسيطة المضافة. حيث يكون الميثانول بدايةً ممتزجاً بالماء، لكن يمكن فصله بسهولةٍ بعملية التقطير.بالنظر لهذا العمل من نطاقٍ أوسع، يأمل الباحثون أن يساهم ذلك في اقتصاد الميثانول. إذ تتضمن الخطة تطوير دورة الكربون بشرية المنشأ” حيث يُعاد  استخدام الكربون ليدعم دورة الكربون الطبيعية. فالكربون يتم تداوله في الطبيعة بشكلٍ مستمرٍ، أي يُعاد تدويره، ويُعاد استخدامه بين الغلاف الجوي، المحيطات، والكائنات الحية. إلا أن الطبيعة لا يمكنها إعادة تدوير الكربون الناتج عن الوقود الأحفوري بأسرع مما يحرقه البشر. إذ بإمكان البشر مواجهة بعضاً من ثاني أكسيد الكربون الذي نطلقه من خلال تحويل جزءٍ من الكربون مرةً أخرى إلى مصدر طاقةٍ كالميثانول.

ثاني اوكسيد الكربون مصدر بديل للنفط

لم يعد غاز ثاني أكسيد الكربون مضرًا...حيث تتم الدراسات لتحويله إلى مادة كيميائية يمكن استخدامها في تصنيع السلع الاستهلاكيةحيث تم ابتكار تقنية جديدة تعمل على إعادة تدوير غاز ثاني أكسيد الكربون إلى مادة كيميائية مفيدة للغاية، حيث يتم الحصول عليه وتجميعه من أماكن تواجده مثل محطات الطاقة ومنشآت التصنيع، ومن ثم يتم ضغطه في أنابيب وحقنه داخل صخور تحت الأرض.وبدلًا من تخزينه تحت الأرض، يتم الاستفادة منه بتحويله إلى مواد كيميائية سائلة مثل جلايكول الإيثيلين وحمض الجلايكوليكوكانت شركة ليكويد لايت هي أول شركة تطور العامل المساعد في هذا التفاعل والذي يتكون من مزيج من الماء وأشعة الشمس والكهرباء وغيرها من المواد الكيميائية، هذا من أجل إنتاج مواد كيميائية خالية من ثاني أكسيد الكربون.يمكن لهذه المواد الكيميائية الناتجة أن تحل محل النفط  في تصنيع السلع الاستهلاكية اليومية مثل الزجاجات البلاستيكية والسجاد والمواد المضادة للتجمد وكذلك كريمات الوجه، وبذلك يتم تقليل اعتمادنا على النفط الذي يعتبر مصدر غير متجدد إضافة إلى تقليل تكاليف الإنتاج، والأهم من ذلك خفض انبعاثات الكربون والمحافظة على البيئة.وفي العام الماضي، قامت شركة كوكا كولا العالمية بالشراكة مع شركة ليكويد لايت لمساعدتها في تسريع عملية تسويق هذه التقنية، بينما تساعدها هذه التقنية في تقليل تكلفة انتاج جلايكول الإيثيلين الأحادي وهو واحد من المكونات المستخدمة في صنع الزجاجات البلاستيكية.وتأمل شركة ليكويد لايت بمتابعة التقنية والحصول على الترخيص للاستخدام التجاري، و يكونوا قادرين على تسويق هذه التقنية وخفض الاعتماد على النفط.

احتجاز الكربون

حيثما توجد المصادر الرئيسية للانبعاثات، يكون المكان الأفضل لاحتجاز ثاني أكسيد الكربون. فمحطات الطاقة التي تولد الكهرباء تنتج ما يقرب من ثلث انبعاثات ثاني أكسيد الكربون. علاوة على ذلك، يعتبر ثاني اوكسيد الكربون منتجًا ثانويًا لصناعة الحديد والصلب، وصناعة الأسمنت وتتم إزالته من الغاز الطبيعي قبل استخدامه كوقود. فهذه العمليات الصناعية تعتبر مرشحات جيدة لاحتجازه وتخزينه لكنه سيكون من الصعب احتجاز انبعاثات السيارات. 

يعتبر كل  من الغاز الطبيعي والفحم النوعين الرئيسيين من الوقود الأحفوري الذي تستخدمه محطات الطاقة، ويحترق ذلك الوقود في وجود الهواء وتستخدم الحرارة الناتجة في إنتاج بخار لإدارة التوربينات، والتي بدورها تدير المولدات الكهربائية ويمكن حرق الغاز لإدارة التوربينات مباشرة  وفي كلٍ من الحالتين يتحد الأكسجين الموجود في الهواء مع الكربون الموجود في الوقود لإنتاج ثاني أكسيد الكربون. وينطلق ثاني اوكسيد الكربون في الهواء وعند حرق الغاز الطبيعي ويتحد الهيدروجين الموجود في في الميثان أيضًا مع الأكسجين لتكوين الماء.
 ولكن الهواء المستخدم في حرق الوقود يحتوى في معظمه على النيتروجين ولا يشترك هذا النيتروجين في عملية الاحتراق بل يمر وينطلق من المدخنة وعادة ما تتكون انبعاثات محطة الطاقة، التي تسمى غازات المداخن، من 10% إلى 15% ثاني أكسيد كربون فقط في محطات حرق الفحم الحجري، وما يقرب من 5% في حالة استخدام الغاز الطبيعي كوقود. ومن حيث المبدأ يمكننا تخزين جميع غازات المداخن، ولكن ذلك سيؤدي إلى امتلاء السعة التخزينية في معظمها بالنيتروجين الذي لا يحتاج إلى أن يعزل. وحتى يتسنى لنا تخزين ثاني اوكسيد الكربون بكفاءة يجب أولاً فصله عن بقية غازات المداخن وهنالك ثلاث طرق لذلك:

• فصل CO2 بعد الاحتراق.

 إزالة الكربون من الوقود قبل الاحتراق بحيث نقوم فقط بحرق الهيدروجين وإنتاج الماء فقط وحرق الوقود الأحفوري في وجود الأكسجين بدلاً من الهواء مما ينتج عنه ثاني أكسيد كربون مركز.
يمكن استخدام المحاليل الكيميائية لإذابة CO2 في الوقت الذي تمرر فيه  الغازات الأخرى إلى الجو. وهذا الأسلوب، المستخدم على نطاق واسع اليوم،حيث تستعمل مجموعة من المركبات تدعى الأمينات والتي تمتص  CO2 عن طريق  تكوين روابط كيميائية خاصة في وجود الضغط العالي ودرجة الحرارة المنخفضة، ويطلق على تلك العملية "الغسل". يتم بعد ذلك تسخين المحلول الكيميائي الناتج وتقليل الضغط، مما يؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد كربون مركز.
ومن الإستراتيجيات الأخرى لاحتجاز ثاني اوكسيد الكربون هي تبريد غازات المداخن إلى النقطة التي يصبح فيها سائلاً، وتتطلب تلك العملية طاقة ضخمة للتبريد.  ومن مزايا تلك العملية سهولة نقل السائل بواسطة الشاحنات أو مراكب الشحن. ومن الممكن أيضًا فصل الغازات باستخدام طبقات رقيقة تدعى الأغشية. فبعض الغازات ستمر من خلال الغشاء أسرع من غيرها. ويتيح ذلك فصل الغازات المختلفة بعضها عن بعض.

• إزالة الكربون قبل الاحتراق

يشكل الميثان (CH4) المادة المحروقة في الغاز الطبيعي. وعند حرقه ينتج كلاً من (CO2) والماء (H2O). ولذا فإذا استطعنا استخراج الكربون قبل  الاحتراق، فيبقى لدينا الهيدروجين، الذي ينتج الماء فقط عند احتراقه. وتتضمن تلك العملية، إتمام تفاعل بين الوقود والأكسجين و/أو البخار لإنتاج أول أكسيد الكربون (CO) والهيدروجين. ثم يتم إحداث تفاعل بين أول أكسيد الكربون والمزيد من البخار لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والمزيد من الهيدروجين. وأخيرًا، يتم فصل ثاني أكسيد الكربون، ويستخدم الهيدروجين كوقود للتوربين الغازي.

• الاحتراق مع الأكسجين بدلاً من الهواء

يشكل النيتروجين 78% من الهواء وهو يبقى من غير تغير في الغالب أثناء عملية احتراق الوقود كما انه الغاز الرئيسي الذي يخفف ثاني أكسيد الكربون في مزيج غاز  المدخنة. وإذا حُرق الوقود في الأكسجين النقي، بدلاً من الهواء، فمن الممكن أن يزيد تركيز ثاني أكسيد الكربون في غاز المدخنة إلى أكثر من 80%. ومن ثم تجعل تلك  العملية إجراء مزيد من التركيز لغاز المدخنة قبل عزل ثاني أكسيد الكربون أمرًا غير ضروري،ويتمثل التحدي في كيفية فصل الأكسجين عن بقية الهواء، والذي يتكون أساسًا من النيتروجين. وتشبه الإستراتيجيات المستخدمة في هذا الغرض تلك المستخدمة لفصل ثاني أكسيد الكربون. ويمكن تبريد الهواء بحيث يصبح الأكسجين سائلاً  ويمكن للأغشية التي تمرر الأكسجين والنيتروجين على معدلات مختلفة أن تعمل على الفصل. كما توجد أيضًا مواد يمكنها امتصاص النيتروجين، ومن ثم فصله عن الأكسجين. وبعد ذلك يمكن العمل على إطلاق النيتروجين منها وإعادة استخدامه.

تكنولوجيا عزل ثاني اوكسيد الكربون

ما أن يتم احتجاز ثاني أكسيد الكربون المركز، تأتي الخطوة التالية والتي تتمثل في تخزينه في مكانٍ ما. وفيما يلي بعض الخيارات:

• الخزن الجيولوجي ( باطن الارض)

يعد التخزين في التكوينات الجيولوجية من أكثر الحلول الواعدة لعزل ثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع ولأجل طويل. ويجري حاليًا العمل في بعض المشروعات. ومن أجل تقليل غازات الاحتباس الحراري وزيادة درجة الحرارة على كوكب الأرض، يجب الاحتفاظ بثاني أكسيد الكربون المخزن بعيدًا عن الجو لمئات أو آلاف السنين. وهاهي مستودعات النفط والغاز، والخزانات الجوفية للمياه المالحة العميقة، وطبقات الفحم الرقيقة، بقيت لملايين السنين، ولم يحدث بها سوى تغير تدريجي قليل جدًا. وتتوفر براهين قوية على أن تلك التكوينات، إن أُحسنت إدارتها، من الممكن أن تشكل مخزنًا طويل الأجل لثاني أكسيد الكربون.

• مستودعات النفط والغاز الناضبة

 يعتقد العديد من الناس أن النفط والغاز يوجدان في كهوف كبيرة تحت الأرض. ولكن الحقيقة ليست كذلك. على العكس، تتواجد تلك الهيدروكربونات في صخور منفذة ومسامية مثل الحجر الرملي. وتحتوي تلك الصخور على فراغات ميكروسكوبية، تدعى مسام، تمتلئ بالسوائل. وقد تكون تلك السوائل مياهًا، أو نفطًا، أو غازًا. وبالتالي، يشبه مستودع النفط والغاز قطعة الأسفنج أكثر مما يشبه الزجاجة. ويؤدي استمرار إنتاج حقل النفط والغاز لفترة من الوقت إلى إزالة جزء كبير من الهيدروكربونات. ومن ثم، تتوفر مساحة لتخزين ثاني أكسيد الكربون. وتغطى تلك الطبقة المسامية المنفذة من الصخر الذي يحتوي على تلك السوائل، بغطاء صخري غير منفذ - من الملح أو الطفل غالبًا - لا يسمح بمرورها من خلاله. وعادةً ما يميل النفط والغاز إلى التحرك نحو الأعلى خلال الصخر المنفذ نظرًا لكونهما أخف من الماء الذي قد يتواجد أيضًا في مثل تلك التكوينات الصخرية. ولكن الغطاء الصخري يعمل على احتجازهما. وبما أن النفط والغاز ظلا معزولين في مثل تلك التكوينات لملايين السنين، فإن ذلك يعطي سببًا جيدًا لاعتقادنا بأن ثاني أكسيد الكربون يمكنه أن يبقى أيضًا كذلك.

• الخزانات الجوفية

 يوجد العديد من "المصائد" الجيولوجية محكمة السد تحت سطح الأرض، والتي لم تحتوِ مطلقًا على أي نفط أو غاز. ومسامها مملوءة بالمياه. ويطلق عليها الخزانات الجوفية. وتُعد الخزانات الجوفية الموجودة على أعماق تحت سطح الأرض الأكثر ملائمة لتخزين ثاني أكسيد الكربون. وهي تمتلئ بالمياه المالحة، وبالتالي تُعد غير مناسبة لإمداد أو تخزين المياه العذبة الصالحة للاستخدام البشري. ومن الممكن أن يذوب ثاني أكسيد الكربون جزئيًا في المياه الموجودة بالخزانات الجوفية. وفي بعض أنواع الصخور، ربما يتفاعل مع المعادن مكونًا رواسب مستقرة من الكربونات. ويؤدي ذلك إلى حبس ثاني أكسيد الكربون بصفة دائمة. ويجب إجراء دراسات جيولوجية، كتلك التي تُجرى روتينيًا لمستودعات النفط والغاز، للتأكد من عدم تسريب الخزانات الجوفية لثاني أكسيد الكربون.
وجدير بالذكر أن أول برنامج لحقن ثاني أكسيد الكربون في العالم يُجرى لأغراض تغير  المناخ تم بعيدًا عن سواحل النرويج في خزانات ملحية عميقة في بحر الشمال تعرف باسم حقل سليبنر.

• طبقات الفحم الحجري

 ومن بين وسائط التخزين الممكنة أيضًا ترسبات الفحم الحجري الموجودة على أعماق بعيدة بحيث يصعب تعدينها واستخراجها. ويتكون الفحم الحجري بصورة رئيسية من الكربون. وسيمتص ثاني أكسيد الكربون ويقوم بحبسه بصفة دائمة. وعادة ما تحتوي ترسبات الفحم الحجري على الميثان. وعندما يتم ضخ ثاني أكسيد الكربون في الفحم  الحجري، فسيتم امتصاصه على حساب الميثان، الذي سيتم إطلاقه. وكما هو الحال مع عمليات الاستخلاص المعزز للنفط، ستؤدي تلك العملية إلى إنتاج وقود نافع وفي الوقت نفسه عزل ثاني أكسيد الكربون. إلا أن هناك مشكلةً تكتنف تلك الطريقة، وتتمثل في أن الفحم الحجري سينتفخ نتيجة امتصاص ثاني أكسيد الكربون. وسيؤدي ذلك إلى تقليص المنافذ التي يمكن أن يتدفق الغاز خلالها. مما ينتج عنه الحد من سعة التخزين.

مواد بلاستيكية أقل تلويثا بفضل بلمرة غاز CO2

تدرس مصانع كيميائية طرقاً عدة لاستغلال CO2 المستخرج من غازات المصانع لإنتاج البلاستيك والمطاط، والطلاء، والهدف هو إنتاج جزيئات جديدة لتحل محل النفط، ومن بين المشاريع الصادرة من مختبرات في الولايات المتحدة، التي تطور منذ خمس سنوات تكنولوجيا لإنتاج البوليول، عن طريق بلمرة غاز ال CO2، والبوليول هو مركب عضوي يستخدم في صناعة بوليمر معروف هو كربونات البوليبروبلين (PPC)، الذي يستخدم لتقوية راتنجات الأيبوكسي، كما يستخدم لإنتاج الرغاوي العازلة في البناء، ومقاعد المنصات، البوليول التي تسوق منذ أواخر العام 2014 بمعدل عدة الآف من الأطنان سنوياً، تحتوي على نحو 40٪ من ثاني أكسيد الكربون، ويتم الحصول عليها في المفاعل عن طريق الجمع بين «الأيبوكسيد، ومحفز كيميائي، ويتم تسخينهما عند درجة حرارة تبلغ ما بين 35 و50 درجة مئوية، قبل أن يتم ضغطهما بوجود غاز ال CO2، ويستمر تفاعل البلمرة حتى استهلاك الكامل للأيبوكسيد، وفي أوروبا، ستعمل شركة Covestro قريباً على استبدال نحو 20% من النفط بغاز ال CO2، لتصنيع مادة البولييوريثين، وهي أيضاً من البوليولات، وثمة تجارب يجريها مركز كاتاليتيك في جامعة إكس لا شابيل بفرنسا، أظهرت أن الرغاوي المنتجة، كانت أقل فعالية من المنتجات التقليدية، فصناعة البلاستيك بحثت منذ فترة طويلة عن بديل للوقود الأحفوري، وها هي قد توصلت له، وكان التحدي الأكبر إيجاد المحفزات التي من شأنها أن تجعل غاز ال CO2، خاملاً من الناحية الكيميائية، ويتفاعل بشكل فعال مع غيره من المواد، لكن شريطة أن يستخدم مصدر للطاقة منخفض الكربون «الغاز الحيوي، على سبيل المثال»، لإحداث تفاعلات كيميائية، وهذه العملية تعمل على إعادة تدوير غاز ال CO2، وينبعث من خلالها كمية أقل مقارنة مع الطرق التقليدية، بحيث تكون البصمة الكربونية لهذه البوليمرات أقل ب 70٪ من البوليمرات المصنوعة من النفط فقط»

واخيرا وليس اخرا اقول ..الحمدلله الذي رزقنا نعمة حب العلم والمعرفه وسخر لنا كل الموارد وعلينا ان نصونها عرفانا وشكرا وحمدا...