اختراق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: كيفية إزالة ثاني أكسيد الكربون بكفاءة من المحيط
يمكن لطريقة جديدة لإزالة غازات الاحتباس الحراري من المحيط أن تكون أكثر كفاءة بكثير من الأنظمة الحالية لإزالتها من الهواء.
مع استمرار تراكم ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للأرض، أمضت فرق البحث حول العالم سنوات في البحث عن طرق لإزالة الغاز بكفاءة من الهواء. وفي الوقت نفسه، فإن المحيط هو “البالوعة” الأولى في العالم لثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي، حيث يمتص ما يقرب من 30 إلى 40 في المائة من جميع الغازات التي تنتجها الأنشطة البشرية.
في الآونة الأخيرة، ظهرت إمكانية إزالة ثاني أكسيد الكربون مباشرة من مياه المحيطات كإمكانية واعدة أخرى للتخفيف من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، وهو احتمال يمكن أن يؤدي في يوم من الأيام إلى صافي الانبعاثات السلبية الإجمالية. ولكن، مثل أنظمة التقاط الهواء، لم تؤد الفكرة بعد إلى أي استخدام واسع النطاق، على الرغم من وجود عدد قليل من الشركات التي تحاول دخول هذا المجال.
الآن، يقول فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إنهم ربما وجدوا المفتاح لآلية إزالة فعالة وغير مكلفة حقًا. تم الإبلاغ عن النتائج مؤخرًا في مجلة Energy and Environmental Science ، في ورقة بحثية أعدها أساتذة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا T. Alan Hatton و Kripa Varanasi ، وباحث ما بعد الدكتوراة Seoni Kim ، وطلاب الدراسات العليا Michael Nitzsche و Simon Rufer و Jack Lake.
تستخدم الطرق الحالية لإزالة ثاني أكسيد الكربون من مياه البحر جهدًا عبر كومة من الأغشية لتحمض تيار التغذية عن طريق فصل الماء. يؤدي هذا إلى تحويل البيكربونات الموجودة في الماء إلى جزيئات من ثاني أكسيد الكربون، والتي يمكن بعد ذلك إزالتها تحت التفريغ. يلاحظ هاتون، وهو أستاذ الهندسة الكيميائية في رالف لانداو، أن الأغشية باهظة الثمن، وأن المواد الكيميائية مطلوبة لدفع تفاعلات الإلكترود الإجمالية في أي من طرفي المكدس، مما يزيد من تكلفة العمليات وتعقيدها. “أردنا تجنب الحاجة إلى إدخال مواد كيميائية في الأنود وخلايا نصف الكاثود وتجنب استخدام الأغشية إذا كان ذلك ممكنًا”، كما يقول.
في البداية، يمكن للنظام استخدام البنية التحتية الحالية أو المخطط لها التي تعالج مياه البحر بالفعل، مثل محطات تحلية المياه، لكن النظام قابل للتطوير. يوضح هذا العرض كيف يمكن أيضًا استخدام الطريقة الجديدة بواسطة السفن والمنصات البحرية. الائتمان: بإذن من الباحثين
توصل الفريق إلى عملية قابلة للعكس تتكون من خلايا كهروكيميائية خالية من الغشاء. تُستخدم الأقطاب الكهربائية التفاعلية لإطلاق البروتونات في مياه البحر التي تغذي الخلايا، مما يؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون المذاب من الماء. العملية دورية: تقوم أولاً بتحميض الماء لتحويل البيكربونات غير العضوية المذابة إلى ثاني أكسيد الكربون الجزيئي، والذي يتم تجميعه كغاز تحت التفريغ. بعد ذلك، يتم تغذية المياه إلى مجموعة ثانية من الخلايا ذات الجهد العكسي، لاستعادة البروتونات وإعادة المياه الحمضية إلى القلوية قبل إطلاقها مرة أخرى في البحر. بشكل دوري، يتم عكس أدوار الخليتين بمجرد استنفاد مجموعة من الأقطاب الكهربائية من البروتونات (أثناء التحميض) ويتم تجديد الأخرى أثناء القلوية.
يمكن أن تبدأ إزالة ثاني أكسيد الكربون وإعادة حقن المياه القلوية ببطء، على الأقل محليًا، في عكس تحمض المحيطات الذي نتج عن تراكم ثاني أكسيد الكربون، والذي بدوره هدد الشعاب المرجانية والمحار، كما يقول فاراناسي ، أستاذ مهندس ميكانيكى. ويقولون إن إعادة حقن المياه القلوية يمكن أن يتم من خلال منافذ متفرقة أو بعيدة عن الشاطئ لتجنب ارتفاع قلوي محلي يمكن أن يعطل النظم البيئية.
يقول فاراناسي: “لن نكون قادرين على معالجة انبعاثات الكوكب بأكملها”. ولكن قد يتم إجراء إعادة الحقن في بعض الحالات في أماكن مثل مزارع الأسماك، والتي تميل إلى تحمض الماء، لذلك قد تكون هذه وسيلة للمساعدة في مواجهة هذا التأثير.
بمجرد إزالة ثاني أكسيد الكربون من الماء، لا يزال يتعين التخلص منه، كما هو الحال مع عمليات إزالة الكربون الأخرى. على سبيل المثال، يمكن دفنها في تكوينات جيولوجية عميقة تحت قاع البحر، أو يمكن تحويلها كيميائيًا إلى مركب مثل الإيثانول، والذي يمكن استخدامه كوقود للنقل، أو إلى مواد كيميائية متخصصة أخرى. يقول هاتون: “يمكنك بالتأكيد التفكير في استخدام ثاني أكسيد الكربون الذي تم التقاطه كمادة وسيطة لإنتاج المواد الكيميائية أو المواد، لكنك لن تكون قادرًا على استخدام كل ذلك كمادة وسيطة”. “سوف تنفد الأسواق لجميع المنتجات التي تنتجها، لذا بغض النظر عن أي شيء، فإن كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون المحتجز ستحتاج إلى دفنها تحت الأرض.”
في البداية على الأقل، ستكون الفكرة هي ربط هذه الأنظمة بالبنية التحتية الحالية أو المخطط لها التي تعالج مياه البحر بالفعل، مثل محطات تحلية المياه. يقول فاراناسي: “هذا النظام قابل للتطوير حتى نتمكن من دمجه المحتمل في العمليات الحالية التي تعالج بالفعل مياه المحيط أو التي تتلامس مع مياه المحيط”. هناك، يمكن أن تكون إزالة ثاني أكسيد الكربون إضافة بسيطة للعمليات الحالية، والتي تعيد بالفعل كميات هائلة من المياه إلى البحر، ولن تتطلب مواد استهلاكية مثل الإضافات الكيميائية أو الأغشية.
“مع محطات تحلية المياه، أنت تضخ بالفعل كل المياه، فلماذا لا تتواجد هناك؟” فاراناسي يقول. “مجموعة من تكاليف رأس المال المرتبطة بالطريقة التي تنقل بها المياه، والتصاريح، كل ذلك يمكن بالفعل الاهتمام به”.
يمكن أيضًا تنفيذ النظام من خلال السفن التي تعالج المياه أثناء سفرها، من أجل المساعدة في التخفيف من المساهمة الكبيرة لحركة السفن في إجمالي الانبعاثات. هناك بالفعل تفويضات دولية لخفض انبعاثات الشحن، “وهذا يمكن أن يساعد شركات الشحن على تعويض بعض انبعاثاتها، وتحويل السفن إلى أجهزة تنقية الغاز في المحيط”، كما يقول فاراناسي.
يمكن أيضًا تنفيذ النظام في مواقع مثل منصات الحفر البحرية، أو في مزارع تربية الأحياء المائية. في النهاية، يمكن أن يؤدي إلى نشر مصانع إزالة الكربون القائمة بذاتها الموزعة على مستوى العالم.
يقول هاتون إن العملية يمكن أن تكون أكثر كفاءة من أنظمة احتجاز الهواء، لأن تركيز ثاني أكسيد الكربون في مياه البحر أكبر بمائة مرة مما هو عليه في الهواء. في أنظمة التقاط الهواء المباشر، من الضروري أولاً التقاط الغاز وتركيزه قبل استعادته. “المحيطات عبارة عن أحواض كربون كبيرة، ومع ذلك، فإن خطوة الالتقاط قد تم بالفعل نوعًا ما من أجلك”، كما يقول. “ليس هناك خطوة التقاط، فقط حرر.” وهذا يعني أن أحجام المواد التي يجب التعامل معها أصغر بكثير، مما يؤدي إلى تبسيط العملية برمتها وتقليل متطلبات البصمة.
البحث مستمر، بهدف واحد هو إيجاد بديل للخطوة الحالية التي تتطلب فراغ لإزالة ثاني أكسيد الكربون المفصول من الماء. هناك حاجة أخرى إلى تحديد استراتيجيات التشغيل لمنع ترسب المعادن التي يمكن أن تلوث الأقطاب الكهربائية في خلية القلوية، وهي مشكلة متأصلة تقلل الكفاءة الإجمالية في جميع الأساليب المبلغ عنها. ويشير هاتون إلى أنه تم إحراز تقدم كبير بشأن هذه القضايا، ولكن لا يزال من السابق لأوانه الإبلاغ عنها. يتوقع الفريق أن يكون النظام جاهزًا لمشروع توضيحي عملي في غضون عامين تقريبًا.
يقول فاراناسي: “مشكلة ثاني أكسيد الكربون هي المشكلة المحددة لحياتنا ووجودنا”. “من الواضح أننا بحاجة إلى كل المساعدة التي يمكننا الحصول عليها.”
المصدر: scitechdaily
قد يهمك:
