נתרן קרבונט משופר בננו שובר מחסומים בלכידת פחמן

מדענים פיתחו ננו-קומפוזיט פחמן באמצעות נתרן קרבונט המשפר משמעותית את הפחמן הדו-חמצני מפליטות תעשייתיות.

פליטות תעשייתיות הן אחד המקורות העיקריים של פחמן דו חמצני (CO2), גז החממה המוביל המעורב בשינויי האקלים. בעוד שאימוץ אלטרנטיבות אנרגיה מתחדשת ונקייה היא אחת האפשרויות להפחתת פליטות הפחמן הללו, טכנולוגיית לכידת פחמן היא פתרון נוסף לשליטה בפליטות CO2.

בתעשיות גדולות שפולטות CO2, כגון מלט, בתי זיקוק לנפט ותחנות כוח תרמיות, ניתן ליישם בקלות טכנולוגיית לכידת פחמן כדי להסיר פליטות CO2 ישירות מהמקור בעלות ריאלית ועם צריכת אנרגיה נמוכה. חומרים שונים נחקרו ללכידת CO2 במפעלים, כולל זאוליטים, מסגרות מתכת אורגניות, מינרלים טבעיים, אלקליות ומלחי מתכות אלקליות. ביניהם, פחמתי מתכת אלקלי, כמו נתרן קרבונט (Na2CO3), נחשבים לחומרים יעילים וזולים בעלי תכונות יציבות ורכישה קלה.

שיפור Na2CO3 עם שלדי פחמן

תיאורטית, ל-Na2CO3 יכולת לכידת CO2 הגונה וניתן לשחזר אותו בקלות לשימושים עוקבים. עם זאת, יישום ישיר של Na2CO3 ללכידת CO2 גורם לצבירת גבישים, מה שמוביל ליעילות ירודה ולאורך חיים קצר יותר. ניתן לבטל בעיה זו על ידי שימוש בשלד פחמן עבור Na2CO3. חומרי פחמן נקבוביים עם קישוריות נקבוביות טובה מספקים צפיפות נמוכה, יציבות מבנית, הידרופוביות ושטח פנים גדול שיכול לייצב Na2CO3.

מחקרים קודמים מדווחים כי לננו-מרוכבים של פחמן Na2CO3 יש יכולת לכידת CO2 של 5.2 ממול/גרם. עם זאת, מחקרים אלה אינם בודקים את השפעת טמפרטורות הפחממה על הביצועים הכוללים של החומר.

אופטימיזציה של לכידת CO2 באמצעות פחמימות

לכן, במחקר חדש שפורסם ב אנרגיה ודלקים ב-12 ביוני 2024, פרופסור Hirofumi Kanoh ובו Zhang מבית הספר לתארים מדעים, אוניברסיטת צ'יבה, סינתזו חומר לכידת CO2 היברידי המורכב מ-Na2CO3 עטוף בננו-פחמן נקבובי. הם העריכו עוד יותר את יעילות לכידת ה-CO2 וההתחדשות שלו בטמפרטורות התפחה שונות. ההיברידיות של Na2CO3-פחמן (NaCH) נגזרו על ידי פחמול של די-נתרן טרפתלט בטמפרטורות הנעות בין 873K ל-973K בנוכחות חנקן כגז מגן. "הפחתת פליטת CO2 היא נושא דחוף, אך עדיין חסרים מחקרים על השיטות ומערכות החומר ללכידת CO2. מערכת היברידית מסוג Na2CO3-פחמן זו הוכיחה את עצמה כמבטיחה בחקירות הראשוניות שלנו, מה שגרם לנו לחקור אותה עוד יותר", אומר פרופ' קאנו.

התקדמות בביצועי NaCH Hybrids

הצוות מדד את יכולת לכידת ה-CO2 של החומרים ההיברידיים בתנאי לחות כדי לחקות את התנאים של גזי הפליטה של ​​פסולת המפעל. הם גילו שהכלאיים של NaCH שהוכנו בטמפרטורות פחממה ליד 913-943 K הדגימו יכולות לכידת CO2 גבוהות יותר. ביניהם, ל-NaCH-923 הייתה יכולת לכידת CO2 הגבוהה ביותר של 6.25 ממול/ג' ותכולת פחמן גבוהה של למעלה מ-40%, מה שהביא לשטח פנים גדול יותר, מה שאיפשר פיזור אחיד יותר של Na2CO3 על פני הננו-פחמן. זה הפחית את קצב צבירה של גבישי Na2CO3 והוביל לקצבי תגובה מהירים יותר.

לאחר ש-NaCH-923 לכד ביעילות CO2, המדענים חיממו שוב את ה-NaCH-923-CO2 שנוצר בנוכחות חנקן כדי לבדוק את ביצועי ההתחדשות שלו. הם גילו שניתן לשחזר את NaCH-923 ולהשתמש בו ללכידת CO2 במשך 10 מחזורים, תוך שמירה על למעלה מ-95% מיכולת לכידת CO2 הראשונית שלו. תוצאות אלו מצביעות על כך ש-NaCH-923 מציג חוזק מבני, עמידות והתחדשות טובים, מה שהופך אותו לחומר מצוין ללכידת CO2 בתנאי לחות.

יישומים והשלכות של NaCH-923

ניסויים נוספים על NaCH-923-CO2 הראו שהדגימה עברה שינוי מסה תלול ב-326-373 K (בסביבות 80 מעלות צלזיוס בממוצע). מכיוון שהטמפרטורה של גז הפליטה מתחנות כוח תרמיות גם היא בדרך כלל בטווח זה, חום הפסולת ממפעלים ותחנות כוח יכול לשמש בקלות כמקור חום לחידוש NaCH-923, ובכך להפחית ביעילות את צריכת האנרגיה.

ממצאים אלה מראים שטמפרטורת הפחממה משפיעה באופן משמעותי על ביצועי לכידת CO2 ותכולת הפחמן של כלאיים של NaCH, כאשר NaCH-923 מציג את המאפיינים הטובים ביותר. NaCH-923, בהיותו סופח מוצק, יכול ללכוד ביעילות CO2 בטמפרטורת הסביבה ובלחץ עם סלקטיביות גבוהה ל-CO2 וללא בעיה של קורוזיה בציוד הקיימת עם סופחי נוזלים המשמשים כיום בתעשיות. יתרה מכך, מאפיינים אלה מאפשרים את היישום הנרחב שלו בתצורות שונות, בסביבות ובהגדרות תעשייתיות מגוונות.

מסקנה ונקודות מבט לעתיד

"על ידי הפיכת Na2CO3, שכבר יש לו יכולת לכידת CO2 טובה, לננו מרוכב, אפשר היה לשפר את קצב התגובה ולהפחית את טמפרטורת הפירוק וההתחדשות. זה מאפשר שימוש בחום פסולת מפעל להתחדשות בסביבות 80 מעלות צלזיוס, מה שנותן לנו מערכת לכידת CO2 חסכונית בעלות אנרגיה", מסכם פרופ' קאנו.

Hirofumi Kanoh הוא פרופסור בבית הספר לתואר שני למדעים, אוניברסיטת צ'יבה, יפן. הוא עומד בראש 'מעבדת קאנו' או המעבדה לכימיה מולקולרית במחלקה לכימיה. ההתמחות העיקרית שלו במחקר היא בכימיה פיזיקלית עם התמקדות ביצירה ואפיון של מוצקים ננו-נקביים חדשים. המחקר שלו נועד לפתח מדע מולקולרי חדש שיכול לסייע בהגנה על סביבת כדור הארץ על ידי ניצול ננו-חלל במוצקים, וליצור מדע בסיסי שמטרתו להבין וליישם פונקציות חדשות של חומרים בננו-חלל וחומרים בננו. יש לו למעלה מ-300 פרסומים ולמעלה מ-45 פטנטים בתחום הננוכימיה.