ازالة ثاني اوكسيد الكربون من الهواء الجوي (تقنية جديدة)

المقدمه

مع الزيادة المقلقة في تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي وتأثيراته على تطورات نمط المناخ العالمي ، فإن التخفيف من آثار تغير المناخ من خلال تقليص انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتج عن الأنشطة البشرية هو أحد أكثر المشكلات الاجتماعية والاقتصادية والعلمية إلحاحًا في العالم، ولتحقيق هذه الغاية  تم تطوير عدد من التقنيات لالتقاط ثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع من عمليات الاحتراق وغيرها من العمليات الصناعية لإنتاج تيارات CO2 عالية النقاء للتخزين. وهذه الطرق الطرق لها أثر كبير ، ونتيجة لذلك ، كان هناك جهد كبير لتطوير مواد وعمليات جديدة بكفاءة عالية لالتقاط ثاني أكسيد الكربون ، بما في ذلك المواد الماصة لأنظمة امتصاص الحرارة والضغط والأغشية للنقل الانتقائي لثاني أكسيد الكربون علاوة على ذلك ، هناك العديد من التطبيقات المحتملة لالتقاط الكربون تتطلب أجهزة مدمجة بسبب قيود المساحة ، كما هو الحال في الالتقاط المباشر لثاني أكسيد الكربون من عوادم الأنابيب على مصادر متنقلة ، والتي يوجد فيها اهتمام متزايد بالنظر إلى المساهمة الكبيرة لعادم النقل في انبعاثات غازات الدفيئة.

وبالتأكيد فان  ازالة  ثاني أكسيد الكربون من مجرى الهواء أداة مهمة في المعركة ضد تغير المناخ. يمكن للنظام الجديد أن يعمل على الغاز عند أي مستوى تركيز تقريبًا ، حتى يصل إلى حوالي 400 جزء في المليون الموجود حاليًا في الغلاف الجوي.

تتطلب معظم طرق إزالة ثاني أكسيد الكربون من تيار من الغازات تركيزات أعلى ، مثل تلك الموجودة في انبعاثات المداخن من محطات الطاقة الكهربائيه القائمة على الوقود الأحفوري.هذه التقنية ، المبنية على تمرير الهواء عبر كومة من اللوحات الكهروكيميائية المشحونة.حيث ان الجهاز عبارة عن بطارية كبيرة متخصصة تمتص ثاني أكسيد الكربون من الهواء يمر عبر أقطابه الكهربائية أثناء شحنها ، ثم يطلق الغاز أثناء تفريغه. أثناء التشغيل ، سيتناوب الجهاز ببساطة بين الشحن والتفريغ ، حيث يتم تفجير الهواء النقي أو غاز التغذية من خلال النظام أثناء دورة الشحن ، ثم يتم تفجير ثاني أكسيد الكربون النقي المركز أثناء التفريغ.أي انه أثناء شحن البطارية ، يحدث تفاعل كهروكيميائي على سطح كل مجموعة من الأقطاب الكهربائية. وهي مغلفة بمركب يسمى بوليانثراكينون ، والذي يتكون من أنابيب الكربون النانوية. الأقطاب الكهربائية لها تقارب طبيعي لثاني أكسيد الكربون وتتفاعل بسهولة مع جزيئاتها في الهواء أو غاز التغذية ، حتى عندما تكون موجودة بتركيزات منخفضة للغاية. يحدث رد الفعل العكسي عندما يتم تفريغ البطارية - حيث يمكن للجهاز توفير جزء من الطاقة اللازمة للنظام بأكمله - وفي هذه العملية يخرج تيارًا من ثاني أكسيد الكربون النقي. النظام بأكمله يعمل في درجة حرارة الغرفة وضغط الهواء الطبيعي.

إن أكبر ميزة لهذه التقنية على معظم تقنيات احتجاز الكربون أو امتصاص الكربون هي الطبيعة الثنائية لتقارب الاقطاب بثاني أكسيد الكربون ، وبعبارة أخرى ، فإن مادة الإلكترود ، بطبيعتها ، "إما لديها درجة تقارب عالية أو لا تقارب على الإطلاق" ، وهذا يتوقف على حالة شحن البطارية أو تفريغها. تتطلب التفاعلات الأخرى المستخدمة لالتقاط الكربون خطوات المعالجة الكيميائية الوسيطة أو مدخلات الطاقة الهامة مثل الحرارة أو اختلافات الضغط.  ان هذا التقارب الثنائي يسمح باحتجاز ثاني أكسيد الكربون من أي تركيز ، بما في ذلك 400 جزء في المليون ، ويسمح بإطلاقه في أي تيار حامل ، بما في ذلك 100 في المائة من ثاني أكسيد الكربون. حيث أن أي غاز يتدفق عبر مجموعة هذه الخلايا الكهروكيميائية، أثناء خطوة الإطلاق ، سيتم حمل ثاني أكسيد الكربون الذي تم التقاطه معه. على سبيل المثال ، إذا كان المنتج النهائي المرغوب فيه هو ثاني أكسيد الكربون النقي لاستخدامه في كربنة المشروبات الغازيه مثلا، فيمكن تفجير تيار من الغاز النقي عبر اللوحات. ثم يتم إطلاق الغاز الذي تم التقاطه من اللوحات وينضم إلى التيار.

في بعض مصانع تعبئة المشروبات الغازية ، يتم حرق الوقود الأحفوري لتوليد ثاني أكسيد الكربون اللازم لإعطاء المشروبات أزيزها. وبالمثل ، يحرق بعض المزارعين الغاز الطبيعي لإنتاج ثاني أكسيد الكربون لإطعام نباتاتهم في البيوت الزجاجية. يقول فوسكيان إن النظام الجديد يمكن أن يلغي الحاجة للوقود الأحفوري في هذه التطبيقات ، وفي هذه العملية يكون في الواقع يخرج غازات الدفيئة من الهواء مباشرة. بدلاً من ذلك ، يمكن ضغط تيار ثاني أكسيد الكربون النقي وحقنه تحت الأرض للتخلص منه على المدى الطويل ، أو حتى تحويله إلى وقود من خلال سلسلة من العمليات الكيميائية والكيميائية الكهربية.

إن العملية التي يستخدمها هذا النظام لالتقاط وإطلاق ثاني أكسيد الكربون "ثورية". "كل هذا في ظروف محيطة – لا تحتاج إلى مدخلات حرارية أو ضغطية أو كيميائية، إنها مجرد صفائح رقيقة للغاية ، مع سطوح نشطة ، ويمكن تكديسها في صندوق وتوصيلها بمصدر للكهرباء.

يقول الباحثون في معهد MIT "في مختبراتنا ، نسعى جاهدين لتطوير تقنيات جديدة لمعالجة مجموعة من القضايا البيئية التي تتجنب الحاجة إلى مصادر الطاقة الحرارية ، والتغيرات في ضغط النظام ، أو إضافة المواد الكيميائية لاستكمال دورات الفصل والإطلاق وهذه التقنية لالتقاط ثاني أكسيد الكربون هي دليل واضح على قوة النهج الكهروكيميائية التي تتطلب فقط تقلبات صغيرة في الجهد لدفع الانفصال .

على سبيل المثال ، في محطة توليد الطاقة حيث يتم إنتاج الغازات الكربونيه بشكل مستمر - يمكن إنشاء مجموعتين من هذه الخلايا الكهروكيميائية جنبًا إلى جنب للعمل بالتوازي ، مع توجيه غاز المداخن أولاً إلى مجموعة واحدة لالتقاط الكربون ، ثم يتم تحويلها إلى المجموعة الثانية بينما تدخل المجموعة الأولى في دورة التفريغ. بواسطة التغييرمن خلال التناوب ذهابًا وإيابًا ، يمكن للنظام دائمًا التقاط الغاز وتفريغه. في المختبر ، أن النظام قادر على تحمل ما لا يقل عن 7000 دورة تفريغ شحن ، مع خسارة 30 في المئة في الكفاءة خلال ذلك الوقت. يقدر الباحثون أنه يمكنهم بسهولة تحسين ذلك إلى ما بين( 20  -50 ) الف دورة. 

يمكن تصنيع الأقطاب الكهربائية نفسها بواسطة طرق المعالجة الكيميائية القياسية وتطوير صناعتها بحيث يمكن تصنيعها بكميات كبيرة من خلال عملية التصنيع التي تشبه طباعة الصحف ، و يمكن إنتاجها مقابل مبلغ بسيط لا يتعدى بضع عشرات من الدولارات للمتر المربع من الإلكترود.ان هذه التقنيه الجديده بالمقارنة مع غيرها من تقنيات احتجاز الكربون ، فإنها تتميز بالكفاءة في استخدام الطاقة ، حيث يستخدم حوالي جيجا جول واحد من الطاقة لكل طن من ثاني أكسيد الكربون الذي يتم التقاطه بشكل مستمر مقارنة بعشرة اضعاف هذه الطاقه بالتقنيات الاخرى.وقد أنشأ الباحثون شركة تدعى Verdox لتسويق العملية ، ويأملون في تطوير مصنع على نطاق تجريبي خلال السنوات القليلة المقبلة ومن السهل للغاية توسيع النظام ، وببساطه إذا كنت تريد سعة أكبر ، فأنت تحتاج فقط إلى إنتاج المزيد من الأقطاب الكهربائية.