تقنية جديدة تعمل على سحب غاز ثاني أكسيد الكربون يمكن أن تقلل من كمية الغازات في محطات الطاقة

New technique to capture carbon dioxide could greatly reduce power plant greenhouse gases

تقنية جديدة تعمل على سحب غاز ثاني أكسيد الكربون يمكن أن تقلل من كمية الغازات في محطات الطاقة 

 

 

 تصميم علي ثاير النعيمي

تعملالمعدلة بواسطةعلى إزالة 90٪ من ثاني أكسيد الكربون بشكل أكثر كفاءة ورخص

 

تاريخ: 23 يوليو 2020

مصدر: جامعة كاليفورنيا، بيركلي

ملخص

أن عملية إزالة غاز ثاني أكسيد الكربون من انبعاثات محطات الطاقة في تزايد كبير من أي وقت مضى للحد من الأضرار الناجمة عن تغير المناخ. توصل الكيميائيون إلى تقنية فعالة وأقل تكلفة لإزالة ثاني أكسيد الكربون من انبعاثات مصنع الغاز الطبيعي . صنع الكيميائيون إطارًا عضويًا معدنيًا متكونا من المغنيسيوم وبالأضافه إلى رباعي الأمين الذي يحفز بوليمر ثاني أكسيد الكربون بسهولة لإزالته بواسطة البخار عند درجة حرارة منخفضة

 

يمكن أن يوفر التقدم الكبير في تكنولوجيا سحب الكربون طريقة فعالة وغير مكلفة لمحطات توليد الطاقة بالغاز الطبيعي لإزالة ثاني أكسيد الكربون من انبعاثات المداخن ، وهي خطوة ضرورية للحد من انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري  والمساعدة في تغير المناخ.

 

تم تطوير التقنية الجديدة من قبل باحثين في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، ومختبر لورانس بيركلي الوطني وإكسون موبيل ، وتستخدم التقنية الجديدة مادة مسامية للغاية تسمى إطار معدني عضوي ، أوودرجة حرارة منخفضة البخار لطرد ثاني أكسيد الكربون للاستخدامات الأخرى أو لعزله تحت الأرض

 

في التجارب ، أظهرت التقنية قدرة أكبر بست مرات لإزالة ثاني أكسيد الكربون من غاز المداخن من التقنية الحالية القائمة على الأمين ، وكانت انتقائية للغاية ، حيث تلتقط أكثر من 90٪ من ثاني أكسيد الكربون المنبعث. تستخدم العملية بخارًا بدرجة حرارة منخفضة لتجديدللاستخدام المتكرر ، مما يعني الحاجة إلى طاقة أقل لالتقاط الكربون

 

قال باحث كبير: "بالنسبة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون ، فإن تجريد البخار - حيث تستخدم الاتصال المباشر بالبخار لخلع ثاني أكسيد الكربون - كان نوعًا من الطفره العلميه. يُنظر إليه بحق على أنه أرخص طريقة للقيام بذلك". جيفري لونج ، أستاذ الكيمياء بجامعة كاليفورنيا في بيركلي للهندسة الكيميائية والهندسة الجزيئية الحيوية وكبير علماء هيئة التدريس في مختبر بيركلي. "هذه المواد ، على الأقل من التجارب التي أجريناها حتى الآن ، تبدو واعدة للغاية

 

نظرًا لوجود القليل من الطلب لمعظم ثاني أكسيد الكربون الذي يتم احتجازه ، فمن المرجح أن تضخ محطات الطاقة معظمه مرة أخرى إلى الأرض ، أو تعزله ، حيث تتحول بشكل مثالي إلى صخور. يجب أن يتم تسهيل تكلفة تنقية الانبعاثات عن طريق السياسات الحكومية ، مثل تجارة الكربون أو ضريبة الكربون ، لتحفيز احتجاز ثاني أكسيد الكربون وعزله ، وهو أمر نفذته العديد من البلدان بالفعل

 

تم تمويل العمل من قبلوشركةالناشئة ، شركة

 

لونغ هو المؤلف الأول لورقة تصف التقنية الجديدة التي ستظهر في عدد 24 يوليو من مجلة

 

تمكنا من الحصول على الاكتشاف الأولي ، ومن خلال البحث والاختبار ، قمنا بأشتقاق مادة أظهرت في التجارب المعملية إمكانية ليس فقط التقاط ثاني أكسيد الكربون في ظل الظروف القاسية الموجودة في انبعاثات غازات المداخن من محطات الطاقة بالغاز الطبيعي ، ولكن للقيام بذلك قال المؤلف المشارك سيمون ويستون ، كبير الباحثين الرئيسيين وقائد المشروع في شركة إكسون موبيل للأبحاث والهندسة "لذلك مع عدم فقدان الانتقائية" ، أظهرنا أنه يمكن بعد ذلك إعادة توليد هذه المواد الجديدة ببخار منخفض الدرجة للاستخدام المتكرر ، توفير مسار لحل قابل للتطبيق لاحتجاز الكربون على نطاق واسع

 

تمثل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بواسطة مركبات حرق الوقود الأحفوري ومحطات توليد الكهرباء والصناعة ما يقدر بـ 65 ٪ من غازات الاحتباس الحراري التي تقود تغير المناخ ، والتي زادت بالفعل متوسط   درجة حرارة الأرض بمقدار 1.8 درجة فهرنهايت (درجة مئوية واحدة) منذ القرن التاسع عشر. من دون انخفاض في هذه الانبعاثات ، يتنبأ علماء المناخ بدرجات حرارة أكثر سخونة من أي وقت مضى ، وعواصف أكثر انتظامًا وعنفًا ، وارتفاعًا في أقدام عدة من ارتفاع مستوى سطح البحر وما ينتج عنه من حالات الجفاف والفيضانات والحرائق والمجاعة والصراع

 

وقال لونج: "في الواقع ، من بين أنواع الأشياء التي تقول الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ أننا بحاجة إلى القيام بها للسيطرة على الاحترار العالمي ، يعد احتجاز ثاني أكسيد الكربون جزءًا كبيرًا". "ليس لدينا استخدام لمعظم ثاني أكسيد الكربون الذي نحتاجه للتوقف عن الانبعاث ، ولكن علينا القيام بذلك

 

 

تجريد

تعمل محطات الطاقة على إزالة ثاني أكسيد الكربون من انبعاثات المداخن اليوم عن طريق فقاعات غازات المداخن من خلال الأمينات العضوية في الماء ، والتي تربط وتستخرج ثاني أكسيد الكربون. ثم يتم تسخين السائل إلى 120-150 درجة مئوية (250-300 فهرنهايت) لإطلاق غاز ثاني أكسيد الكربون ، وبعد ذلك يتم إعادة استخدام السوائل. تستهلك العملية بأكملها حوالي 30٪ من الطاقة المولدة. تكلف عملية عزل ثاني أكسيد الكربون تحت الأرض جزءًا إضافيًا ، على الرغم من صغره

 

قبل ست سنوات ، اكتشف لونج ومجموعته في مركز جامعة كاليفورنيا في بيركلي لفصل الغاز ، الذي تموله وزارة الطاقة الأمريكية ، وزارة المالية المعدلة كيميائيًا التي تلتقطبسهولة من انبعاثات مداخن محطات الطاقة المركزة ، مما قد يقلل من تكلفة الالتقاط إلى النصف. أضافوا جزيئات ثنائي الأمين إلىالقائم على المغنيسيوم لتحفيز تشكيل سلاسل البوليمر منالتي يمكن بعد ذلك تطهيرها بالتدفق مع تيار رطب من ثاني أكسيد الكربون

 

نظرًا لأن أطرمسامية جدًا ، في هذه الحالة مثل قرص العسل ، فإن مقدار وزن مشبك الورق له مساحة سطح داخلية تساوي مساحة ملعب كرة القدم ، وكلها متاحة لامتصاص الغازات

 

تتمثل إحدى المزايا الرئيسيةالتي يتم إلحاقها بالأمين في أنه يمكن تعديل الأمينات لالتقاط ثاني أكسيد الكربون بتركيزات مختلفة ، تتراوح من 12٪ إلى 15٪ بشكل نموذجي لانبعاثات مصنع الفحم إلى 4٪ نموذجي لمحطات الغاز الطبيعي ، أو حتى الكثير تركيزات أقل في الهواء المحيط. مواد الفسيفساء ، التي شارك في تأسيسها وتوجيهها ، تم إنشاؤها لجعل هذه التقنية متاحة على نطاق واسع لمحطات الطاقة والمصانع

 

لكن تيار 180 درجة مئوية من الماء وثاني أكسيد الكربون المطلوب لطرد ثاني أكسيد الكربون الذي تم التقاطه يؤدي في نهاية المطاف إلى التخلص من جزيئات الديامين ، مما يقصر عمر المادة. يستخدم الإصدار الجديد أربعة جزيئات أمين - رباعي أمين - أكثر ثباتًا في درجات الحرارة المرتفعة ووجود البخار

 

قال لونغ: "إن رباعي الأمين مرتبط بقوة شديدة داخلبحيث يمكننا استخدام تيار شديد التركيز من بخار الماء مع صفر من ثاني أكسيد الكربون ، وإذا جربت ذلك مع المواد الماصة السابقة ، سيبدأ البخار في تدمير المادة

 

أظهروا أن الاتصال المباشر بالبخار عند 110-120 درجة مئوية - أعلى قليلاً من درجة غليان الماء - يعمل بشكل جيد لطرد ثاني أكسيد الكربون. البخار عند درجة الحرارة هذه متاح بسهولة في محطات الطاقة بالغاز الطبيعي ، في حين أن مزيج 180 درجة مئوية من الماء وثاني أكسيد الكربون المطلوب لتجديدالمعدلة سابقًا يتطلب التدفئة ، مما يهدر الطاقة

 

عندما فكر لونغ ، ويستون وزملاؤهم لأول مرة في استبدال الديامين برباعيات أكثر صرامة ، بدا الأمر وكأنه سيستغرق وقتاً طويلاً. لكن الهياكل البلورية لالمحتوية على الديامين تشير إلى أنه يمكن أن تكون هناك طرق لربط اثنين من الديامين لتكوين رباعي أمين مع الحفاظ على قدرة المادة على بلمرةعندما أنشأ طالب الدراسات العليا في جامعة كاليفورنيا في بيركلي يوجين كيم ، أول مؤلف الصحيفة ، MOFs التي تم إلحاقها رباعيًا كيميائيًا ، تفوقت علىالتي تم إلحاقها بالديامين في المحاولة الأولى

 

بعد ذلك ، درس الباحثون بنيةالمعدلة باستخدام مصدر الضوء المتقدم فيالتي تبطن مساممرتبطة بالفعل بالرباعي أمين ، مثل السلم الذي يحتوي على رباعي أمين مثل الدرجات. حسابات نظرية وظيفية الكثافة للمبادئ الأولى باستخدام الكمبيوتر العملاق كوري في مركز الحوسبة العلمية لبحوث الطاقة الوطنيةالتابع لمختبر بيركلي ، والموارد الحوسبية في المسبك الجزيئي والموارد التي قدمها برنامج الحوسبة البحثية في بيركلي بالحرم الجامعي أكدت هذه البنية الرائعة التي تصورها فريق لونج في البداية

 

قال لونغ "لقد أجريت بحثًا في كال لمدة 23 عامًا حتى الآن ، وهذه واحدة من الأوقات التي كان لديك فيها ما بدا وكأنه فكرة مجنونة ، وعملت للتو على الفور

 

المؤلفان المشاركان مع LongKimWestonJoseph FalkowskiExxonMobil

 

 

 

 

 

المصادر

• Materials provided by University of California - Berkeley. Original written by Robert Sanders. Note: Content may be edited for style and length.
• Eugene J. Kim, Rebecca L. Siegelman, Henry Z. H. Jiang, Alexander C. Forse, Jung-Hoon Lee, Jeffrey D. Martell, Phillip J. Milner, Joseph M. Falkowski, Jeffrey B. Neaton, Jeffrey A. Reimer, Simon C. Weston, Jeffrey R. Long. Cooperative carbon capture and steam regeneration with tetraamine-appended metal–organic frameworks. Science, 2020 DOI: 10.1126/science.abb3976