به گزارش تجارت نیوز، دانشمندان دانشگاه ایالتی اورگن در آمریکا برای ماده جدید جذب کربن خود درخواست ثبت اختراع ارائه کرده‌اند. این ماده از خانواده چارچوب‌های فلزی-آلی یا MOFهاست؛ موادی متخلخل که به دلیل ساختار ویژه خود می‌توانند مولکول‌های گازهایی مانند دی‌اکسید کربن را در منافذ خود به دام بیندازند.
اهمیت این فناوری از آنجا ناشی می‌شود که فعالیت‌های صنعتی، به‌ویژه سوزاندن سوخت‌های فسیلی برای تولید انرژی، سهم قابل توجهی در انتشار دی‌اکسید کربن دارند. بر اساس داده‌های آژانس حفاظت از محیط زیست آمریکا، بخش صنعت حدود ۳۰ درصد از کل انتشار گازهای گلخانه‌ای ایالات متحده را به خود اختصاص می‌دهد.
نتایج این پژوهش که در مجله علمی Angewandte Chemie منتشر شده، نشان می‌دهد ماده جدید BVR-X می‌تواند آب و دی‌اکسید کربن را به بخش‌های متفاوتی از ساختار متخلخل خود هدایت کند. این ویژگی مانع از آن می‌شود که مولکول‌های آب محل‌های جذب دی اکسید کربن (CO2) را مسدود کنند.
کیریاکوس استایلیانو، استاد شیمی در دانشکده علوم دانشگاه ایالتی اورگن، می‌گوید سازمان‌دهی داخلی این ماده باعث می‌شود عملکرد آن به شرایط واقعی انتشار گازهای صنعتی نزدیک‌تر باشد.
MOF چیست و چرا برای جذب کربن اهمیت دارد؟
چارچوب‌های فلزی-آلی یا MOFها، مواد بلوری متخلخلی هستند که از یون‌های فلزی و مولکول‌های آلی موسوم به لیگاند تشکیل می‌شوند. یون‌های فلزی مانند گره‌هایی عمل می‌کنند که به کمک پیوندهای آلی به یکدیگر متصل شده و ساختاری شبیه یک قفس ایجاد می‌کنند.
درون این ساختار، منافذی در مقیاس نانو وجود دارد که می‌توانند مولکول‌های مختلف گاز را جذب کنند. به همین دلیل، عملکرد MOFها تا حدی شبیه یک اسفنج مولکولی است که می‌تواند گازهای خاصی را در خود نگه دارد.
یکی از ویژگی‌های مهم این خانواده از مواد، امکان طراحی آنها با ترکیبات مختلف است. پژوهشگران تاکنون بیش از ۱۰۰ هزار نوع MOF را در آزمایشگاه تولید کرده‌اند و ویژگی‌های صدها هزار ساختار دیگر نیز به صورت محاسباتی پیش‌بینی شده است.
استایلیانو که مدیریت آزمایشگاه کشف مواد دانشگاه ایالتی اورگن، موسوم به MaD Lab، را بر عهده دارد، تأکید می‌کند که جذب دی اکسید کربن (CO2) یکی از فناوری‌های مهم برای دستیابی به اهداف کاهش انتشار کربن است و MOFها به دلیل تخلخل و انعطاف‌پذیری ساختاری، ظرفیت بالایی در این زمینه دارند.
چرا رطوبت، جذب کربن را دشوار می‌کند؟
یکی از مشکلات اصلی فناوری‌های جذب کربن در شرایط واقعی، وجود آب در گازهای خروجی کارخانه‌هاست. بسیاری از مواد جذب‌کننده‌ای که در محیط آزمایشگاهی عملکرد مطلوبی دارند، هنگام قرار گرفتن در معرض گازهای مرطوب دودکش‌ها، کارایی خود را از دست می‌دهند.
از نظر فنی می‌توان پیش از فرایند جذب، گازهای دودکش را خشک کرد، اما انجام این کار هزینه زیادی به فرایند حذف دی اکسید کربن (CO2) اضافه می‌کند. در نتیجه، هزینه نهایی ممکن است آنقدر افزایش یابد که استفاده صنعتی از فناوری جذب کربن را دشوار یا حتی غیرعملی کند.
به همین دلیل، ماده‌ای که بتواند بدون نیاز به خشک‌کردن گازهای خروجی، دی‌اکسید کربن را در شرایط مرطوب جذب کند، می‌تواند یک مزیت مهم برای فناوری‌های جذب کربن در محل انتشار باشد.
آب در ماده جدید به یک مزیت تبدیل می‌شود
ویژگی متفاوت BVR-X این است که آب برخلاف بسیاری از مواد جذب‌کننده، الزاماً باعث کاهش عملکرد آن نمی‌شود. به گفته استایلیانو، ماده جدید در واکنش با آب دچار یک تغییر ساختاری مفید می‌شود و همین تغییر به آن اجازه می‌دهد حتی در محیط‌های بسیار مرطوب نیز دی‌اکسید کربن را جذب کند.
این ویژگی می‌تواند یکی از مهم‌ترین تفاوت‌های BVR-X با بسیاری از مواد مورد آزمایش برای جذب کربن باشد؛ زیرا فناوری‌های صنعتی باید بتوانند در شرایطی بسیار متفاوت از محیط کنترل‌شده آزمایشگاه کار کنند.
جذب دی اکسید کربن (CO2) از گاز بسیار مرطوب با تنها ۴ درصد دی‌اکسید کربن
آزمایش‌های انجام‌شده روی ماده جدید نتایج قابل توجهی نشان داده است. پژوهشگران دریافتند که BVR-X می‌تواند دی‌اکسید کربن را از جریانی بسیار مرطوب جذب کند که تنها ۴ درصد دی اکسید کربن (CO2) دارد.
این شرایط به گازهای خروجی ناشی از احتراق گاز طبیعی شباهت دارد؛ محیطی که در آن جداسازی مقدار نسبتاً کمی دی‌اکسید کربن در حضور آب، یکی از چالش‌های اصلی فناوری جذب کربن محسوب می‌شود.
یکی دیگر از ویژگی‌های مهم ماده جدید، امکان استفاده مجدد از آن است. پژوهشگران می‌گویند BVR-X پس از فرایند جذب می‌تواند بازسازی شود و دوباره مورد استفاده قرار گیرد و عملکرد خود را در طول ده‌ها چرخه جذب و رهاسازی حفظ کند.
این قابلیت برای کاربرد صنعتی اهمیت زیادی دارد، زیرا یک ماده جذب‌کننده کربن باید بتواند بارها مورد استفاده قرار گیرد و در برابر شرایط سخت عملیاتی دوام داشته باشد.
چرا جذب کربن در محل انتشار اهمیت دارد؟
فناوری‌های جذب مستقیم کربن از هوا در سال‌های اخیر در نقاط مختلف جهان توسعه پیدا کرده‌اند، اما به گفته پژوهشگران، این فناوری‌ها هنوز برای کاهش چشمگیر انتشار جهانی دی اکسید کربن (CO2) در مقیاس مورد نیاز آماده نیستند.
بزرگ‌ترین تأسیسات جذب مستقیم کربن از هوا در سال ۲۰۲۴ در ایسلند افتتاح شد. ظرفیت این تأسیسات در طول یک سال می‌تواند میزان دی‌اکسید کربنی مشابه انتشار سالانه حدود ۷۲۰۰ خودرو را جذب کند.
با این حال، جذب دی اکسید کربن (CO2) در همان نقطه‌ای که گازهای گلخانه‌ای تولید می‌شوند، مانند نیروگاه‌ها و کارخانه‌های صنعتی، می‌تواند رویکرد متفاوتی برای کاهش انتشار باشد. در این روش، دی اکسید کربن (CO2) پیش از ورود به جو از گازهای خروجی جدا می‌شود.
MOFهایی مانند BVR-X می‌توانند در چنین سامانه‌هایی مورد استفاده قرار گیرند تا مولکول‌های دی‌اکسید کربن را هنگام عبور گازهای دودکش به دام بیندازند.
ماده BVR-X چه آینده‌ای در صنعت دارد؟
نتایج اولیه پژوهشگران دانشگاه ایالتی اورگن نشان می‌دهد که BVR-X سه ویژگی مهم برای یک فناوری جذب کربن صنعتی دارد: عملکرد در شرایط مرطوب، توانایی جذب دی اکسید کربن (CO2) از جریان‌هایی با غلظت پایین و امکان بازسازی و استفاده مجدد.
با این حال، تبدیل یک ماده آزمایشگاهی به فناوری صنعتی معمولاً به آزمایش‌های بیشتر، ارزیابی هزینه‌ها، بررسی دوام در مقیاس بزرگ و طراحی تجهیزات مناسب نیاز دارد. بنابراین، نتایج این مطالعه را باید یک گام پژوهشی مهم دانست، نه به معنای آماده بودن فوری فناوری برای استفاده گسترده صنعتی.
گام تازه برای جذب کربن از دودکش کارخانه‌ها
رطوبت یکی از موانع مهم در مسیر توسعه فناوری‌های جذب دی‌اکسید کربن است، اما ماده جدید BVR-X تلاش می‌کند همین مشکل را به یک مزیت تبدیل کند. این ماده با تغییر ساختار خود در حضور آب، می‌تواند در محیط‌های مرطوب نیز دی اکسید کربن (CO2) را جذب کند و نیاز به خشک‌کردن گازهای خروجی را کاهش دهد.
توانایی جذب دی‌اکسید کربن از جریانی با تنها ۴ درصد دی اکسید کربن (CO2) و حفظ عملکرد در ده‌ها چرخه جذب و رهاسازی، BVR-X را به گزینه‌ای امیدوارکننده برای تحقیقات آینده تبدیل کرده است.
اگر آزمایش‌های بعدی بتوانند عملکرد این ماده را در مقیاس صنعتی و با هزینه رقابتی تأیید کنند، فناوری‌های مبتنی بر MOF می‌توانند نقش مهمی در کاهش انتشار دی‌اکسید کربن صنایع و نزدیک شدن به اهداف کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای داشته باشند.
