الامتصاص الكيميائي والامتزاز الفيزيائي: أدوار رئيسية في احتجاز الكربون

1. مقدمة

تهدف تقنية احتجاز الكربون من المصادر المحددة إلى الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO₂) في الغلاف الجوي، وقد أصبحت حلاً هاماً لمواجهة تغير المناخ. ستتناول هذه المقالة طريقتين مختلفتين لاحتجاز الكربون: الامتصاص الكيميائي والامتزاز الفيزيائي، وستناقش خصائصهما في التطبيقات العملية.

02 الامتصاص الكيميائي: أساس احتجاز الكربون

يلعب الامتصاص الكيميائي حاليًا دورًا هامًا في احتجاز الكربون، إذ يوفر وسيلة فعالة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من غازات المداخن المنبعثة من محطات توليد الطاقة والمنشآت الصناعية وغيرها من مصادر التلوث. في هذه العملية، يتدفق غاز غني بثاني أكسيد الكربون عبر مذيب سائل. بعد امتصاص المذيب لثاني أكسيد الكربون، يُطلق ثاني أكسيد الكربون المحتجز ويُفصل من خلال التجديد الحراري، ثم يُخزن أو يُستخدم.

تُستخدم مواد امتصاص شائعة الاستخدام، مثل أحادي إيثانول أمين (MEA) وثنائي إيثانول أمين (DEA)، على نطاق واسع نظرًا لتقاربها الشديد مع ثاني أكسيد الكربون. وتخضع هذه المواد لتفاعلات كيميائية عكسية مع ثاني أكسيد الكربون لتحقيق دورات امتصاص وإطلاق. تتضمن أنظمة الامتصاص عادةً وحدات امتصاص وفواصل ووحدات تجديد. يُعاد المذيب المُجدد إلى وحدة الامتصاص لإعادة استخدامه.

بدأت تقنية الامتصاص باستخدام مذيبات الأمينات العضوية مبكراً، وهي ناضجة نسبياً، حيث تتميز أنظمة الامتصاص بقدرتها على تحقيق معدلات امتصاص عالية. مع ذلك، تتعرض مذيبات الأمينات العضوية للتلف خلال دورات الامتصاص والتجديد المستمرة، مما يؤدي إلى انخفاض قدرة الامتصاص ويتطلب استبدالها بانتظام. إضافةً إلى ذلك، تستهلك عملية تجديد المذيب طاقة كبيرة، مما قد يتسبب في انبعاثات كربونية إضافية في حال عدم توفر الحرارة المهدرة، الأمر الذي يحدّ من فعاليتها الشاملة في خفض الانبعاثات. علاوة على ذلك، قد يُؤدي التخلص من المذيبات المهدرة إلى ظهور مشكلات بيئية جديدة. لذلك، حظي احتجاز ثاني أكسيد الكربون باستخدام تقنية الامتصاص الفيزيائي باهتمام متزايد في السنوات الأخيرة.

03 الامتزاز الفيزيائي: احتجاز الكربون باستخدام المواد المسامية

تعتمد تقنية الامتزاز بشكل أساسي على المواد المسامية مثل الزيوليت والكربون المنشط والأطر المعدنية العضوية (MOFs) للامتزاز الفيزيائي لثاني أكسيد الكربون. وعلى عكس الامتصاص، يشير الامتزاز إلى الالتقاط الفيزيائي لجزيئات ثاني أكسيد الكربون بواسطة سطح المواد الصلبة المازة، دون حدوث أي تفاعلات كيميائية أثناء عملية الامتزاز.

من بين المواد الصلبة الماصة الشائعة الاستخدام، تُظهر مواد الكربون المنشط انتقائية امتصاص ضعيفة، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة وارتفاع استهلاك الطاقة عند استخدامها في احتجاز ثاني أكسيد الكربون من مصادر محددة. إضافةً إلى ضعف انتقائيتها، تتأثر أداء مواد مثل الزيوليت والمناخل الجزيئية بشكل كبير ببخار الماء. تتطلب التطبيقات العملية خطوات تجفيف إضافية، مما يزيد من تكاليف الاحتجاز. علاوة على ذلك، ونظرًا لضعف انتقائية هذه المواد الماصة، غالبًا ما يتطلب غاز المداخن ذو المحتوى المنخفض من ثاني أكسيد الكربون (≤30%) عملية امتصاص على مرحلتين أو عدة مراحل لرفع تركيز ثاني أكسيد الكربون إلى أكثر من 90%.

الأطر المعدنية العضوية (MOFs) هي فئة من المواد المسامية البلورية تتكون من أيونات معدنية أو تجمعات مرتبطة بـ رابط عضويتُشكّل هذه المواد هياكل نانوية مسامية ذات مساحات سطحية نوعية عالية وبنية مسامية قابلة للتعديل. في السنوات الأخيرة، تم تطوير سلسلة من مواد MOF تتميز بانتقائية عالية، وقدرة امتصاص عالية، ومقاومة معينة للماء، مما يجعلها مثالية لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من مصادر محددة. تستطيع هذه المواد تحقيق امتصاص انتقائي للغاية، وحتى في تيارات الغاز ذات المحتوى المنخفض من ثاني أكسيد الكربون، يمكنها زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون إلى أكثر من 90% من خلال امتصاص أحادي المرحلة، مما يجعلها حلولًا فعّالة في تطبيقات التقاط الكربون.

توفر عملية احتجاز الكربون بالامتزاز باستخدام الأطر المعدنية العضوية (MOFs) مزايا متعددة. تتميز هذه الأطر بخصائص قابلة للتعديل، مما يسمح بتصميم مواد ماصة مصممة خصيصًا لتلبية متطلبات احتجاز ثاني أكسيد الكربون. ويمكن تكييفها مع أنظمة عمليات امتزاز مختلفة، مثل امتزاز تأرجح الضغط (PSA) وامتزاز تأرجح درجة الحرارة (TSA). إضافةً إلى ذلك، يمكن عادةً إزالة الكربون من الأطر المعدنية العضوية عند درجات حرارة أقل مقارنةً بالمواد الأخرى، مما يقلل استهلاك الطاقة بشكل ملحوظ.

04 مستقبل احتجاز الكربون

تُواصل التطورات الحديثة في مجال الأطر المعدنية العضوية (MOFs) التغلب على القيود الشائعة لمواد الامتزاز (مثل الحساسية للرطوبة وضعف الانتقائية)، وذلك بفضل تصميمها الهيكلي القابل للتخصيص. ومن خلال ضبط تركيب وهندسة مسام الأطر المعدنية العضوية بدقة، نجح الباحثون في هندسة مواد مستقرة وعالية الأداء. تستطيع الأنظمة القائمة على الأطر المعدنية العضوية تلبية المتطلبات القياسية لالتقاط الكربون بكفاءة (نقاء 95% ومعدل استرداد 90%) عند مستويات تركيز مختلفة، مع الحاجة إلى طبقة أولية من المجففات فقط. تُمثل هذه القدرة على الحد من حساسية الرطوبة ميزةً هامةً للأطر المعدنية العضوية مقارنةً بمواد الامتزاز الأخرى مثل الزيوليت.

تتميز الأطر المعدنية العضوية (MOFs) أيضًا بثبات ومتانة ممتازين، مما يجعلها مواد شائعة الاستخدام في تطبيقات احتجاز الكربون. ولذلك، فإن قابلية ضبط هيكل موفلا تعمل هذه التقنية على تعزيز فعاليتها في التقاط ثاني أكسيد الكربون فحسب، بل تعمل أيضًا على تحسين جدواها وموثوقيتها في ظل ظروف بيئية مختلفة، مما يعزز مكانتها الرائدة في تقنيات التقاط الكربون القائمة على الامتزاز.

مع الجهود العالمية المبذولة للحد من انبعاثات الكربون، سيُظهر الامتزاز الفيزيائي باستخدام الأطر المعدنية العضوية (MOFs) كمواد ماصة إمكانات هائلة. ويواصل الباحثون إجراء أبحاث وتطويرات مستمرة لتحسين استقرار هذه الأطر، وقابليتها للتوسع، وفعاليتها من حيث التكلفة، مما يدفع إلى استخدامها على نطاق واسع في احتجاز الكربون الصناعي. ومن خلال الاستفادة من مزايا المواد المسامية، يمكننا تمهيد الطريق لمستقبل أخضر ومستدام للأجيال القادمة.

شركة قوانغدونغ تان يو للمواد الجديدة المحدودة هي أول شركة صينية رائدة في مجال الابتكار التكنولوجي تحقق الإنتاج الضخم لمركبات MOF، حيث طورت مئات من مركبات MOF الوظيفية. يمتلك فريقنا خبرة فنية عميقة في تصنيع وتطبيقات مركبات MOF. لمعرفة المزيد عن تطبيقات مركبات MOF وتخصيصها وظيفيًا، يرجى التواصل مع فريق خبراء تان يو للحصول على حلول احترافية.

مراجع

[1] هيليون، 9 (2023)، e22341، 10.1016/j.heliyon.2023.e22341

[2] مجلة الإنتاج الأنظف، 373 (2022)، 133932، 10.1016/j.jclepro.2022.133932