یک فیلتر شیمیایی که به راحتی سنتز می شود می تواند از رسیدن گازهای گلخانه ای به جو جلوگیری کند.

چگونه می‌توانیم دی‌اکسید کربن، یک گاز گلخانه‌ای، را از اگزوز نیروگاه‌های سوخت فسیلی قبل از رسیدن به جو حذف کنیم؟ یافته‌های جدید نشان می‌دهد که پاسخ امیدوارکننده در یک ماده ساده، اقتصادی و بالقوه قابل استفاده مجدد است که در موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) تجزیه و تحلیل شده است، جایی که دانشمندان چندین موسسه مشخص کرده‌اند که چرا این ماده به خوبی کار می‌کند.

هدف این تیم مطالعه فرمت آلومینیوم است، یکی از دسته ای از مواد به نام چارچوب های فلزی-آلی (MOFs). به عنوان یک گروه، MOF ها پتانسیل زیادی برای فیلتر کردن و جداسازی مواد آلی – اغلب هیدروکربن های مختلف در سوخت های فسیلی – از یکدیگر به نمایش گذاشته اند. برخی از MOF ها در پالایش گاز طبیعی یا جداسازی اجزای اکتان بنزین امیدوار کننده بوده اند. برخی دیگر ممکن است به کاهش هزینه تولید پلاستیک یا تبدیل ارزان یک ماده به ماده دیگر کمک کنند. ظرفیت آنها برای انجام چنین جداسازی ها از طبیعت متخلخل ذاتی آنها ناشی می شود.

فرمت آلومینیوم که دانشمندان از آن به عنوان ALF یاد می کنند، استعداد جداسازی دی اکسید کربن (CO ₂ ) از سایر گازهایی را دارد که معمولاً از دودکش نیروگاه های زغال سنگ خارج می شوند. هیدن ایوانز از NIST، یکی از نویسندگان اصلی مقاله تحقیقاتی این تیم که امروز در مجله معتبر Science Advances منتشر شد، گفت: این ماده همچنین فاقد کاستی هایی است که سایر مواد فیلتر کربن پیشنهادی دارند .

ایوانز، شیمیدان مرکز نوترون NIST گفت: «آنچه که این کار را هیجان انگیز می کند این است که ALF نسبت به دیگر جاذب های CO ₂ با کارایی بالا عملکرد بسیار خوبی دارد ، اما از نظر سادگی، پایداری کلی و سهولت آماده سازی با ترکیبات طراح رقابت می کند. تحقیقات (NCNR). “این از دو ماده ساخته شده است که به راحتی و به وفور یافت می شود، بنابراین ایجاد ALF کافی برای استفاده گسترده باید با هزینه بسیار کم امکان پذیر باشد.”

تیم تحقیقاتی شامل دانشمندانی از دانشگاه ملی سنگاپور است. آژانس علم، فناوری و تحقیقات سنگاپور؛ دانشگاه دلاور؛ و دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا.

نیروگاه‌های زغال‌سنگ تقریباً 30 درصد از انتشار CO2 جهانی را تشکیل می دهند. حتی در شرایطی که جهان از دیگر منابع انرژی مانند انرژی خورشیدی و بادی که گازهای گلخانه‌ای تولید نمی‌کنند استقبال می‌کند، یافتن راهی برای کاهش تولید کربن نیروگاه‌های موجود می‌تواند به کاهش اثرات آنها در زمانی که آنها فعال هستند کمک کند.

پاک کردن CO ₂ از گاز دودکش قبل از رسیدن به جو در وهله اول یک رویکرد منطقی است، اما ثابت شده است که ایجاد یک اسکرابر موثر چالش برانگیز است. مخلوط گازهایی که در دودکش‌های نیروگاه‌های زغال‌سنگ جریان می‌یابند، معمولاً نسبتاً گرم، مرطوب و خورنده هستند – ویژگی‌هایی که یافتن یک ماده اقتصادی را که بتواند کار را به نحو احسن انجام دهد، دشوار کرده است.

 برخی دیگر از MOF ها خوب کار می کنند اما از مواد گران قیمت ساخته شده اند. برخی دیگر به خودی خود هزینه کمتری دارند اما فقط در شرایط خشک به اندازه کافی عمل می کنند و به یک “مرحله خشک کردن” نیاز دارند که رطوبت گاز را کاهش می دهد اما هزینه کلی فرآیند شستشو را افزایش می دهد.

ایوانز گفت: «همه را کنار هم بگذارید، به نوعی ماده شگفت انگیز نیاز دارید. “در اینجا، ما موفق شده‌ایم همه جعبه‌ها را به جز پایداری در شرایط بسیار مرطوب علامت بزنیم. با این حال، استفاده از ALF به اندازه‌ای ارزان است که مرحله خشک کردن به یک گزینه مناسب تبدیل شود.”

ALF از هیدروکسید آلومینیوم و اسید فرمیک ساخته شده است، دو ماده شیمیایی که به وفور در بازار موجود است. ایوانز گفت که قیمت آن کمتر از یک دلار در هر کیلوگرم است که تا 100 برابر کمتر از سایر مواد با عملکرد مشابه است. هزینه کم مهم است زیرا جذب کربن در یک کارخانه می تواند به ده ها هزار تن مواد فیلتراسیون نیاز داشته باشد. مقدار مورد نیاز برای کل جهان بسیار زیاد خواهد بود.

در مقیاس میکروسکوپی، ALF شبیه یک قفس سیمی سه بعدی با سوراخ های کوچک بی شمار است. این سوراخ‌ها به اندازه‌ای بزرگ هستند که به مولکول‌های CO ₂ اجازه ورود و به دام افتادن را بدهند، اما به اندازه‌ای کوچک هستند که مولکول‌های نیتروژن کمی بزرگ‌تر را که اکثر گازهای دودکش را تشکیل می‌دهند، حذف کنند. ایوانز گفت ، کار پراش نوترون در NCNR به تیم نشان داد که چگونه قفس‌های منفرد در ماده جمع‌آوری و با CO ₂ پر می‌شوند، و نشان داد که مولکول‌های گاز در داخل قفس‌های خاصی در ALF مانند یک دست در دستکش قرار می‌گیرند.

با وجود پتانسیل آن، ALF برای استفاده فوری آماده نیست. مهندسان باید روشی برای ایجاد ALF در مقیاس بزرگ طراحی کنند. یک نیروگاه زغال‌سنگ همچنین به فرآیندی سازگار برای کاهش رطوبت گازهای دودکش قبل از شستشوی آن نیاز دارد. ایوانز گفت که در مورد چگونگی رسیدگی به این مسائل چیزهای زیادی درک شده است و آنها هزینه استفاده از ALF را گزاف نمی کنند.

او گفت که بعد از آن چه باید کرد با CO ₂ نیز یک سوال اساسی است، اگرچه این یک مشکل برای همه مواد جذب کننده کربن است. تلاش‌های تحقیقاتی برای تبدیل آن به اسید فرمیک در حال انجام است – که نه تنها یک ماده آلی طبیعی است، بلکه یکی از دو ماده تشکیل دهنده ALF است. ایده در اینجا این است که ALF می تواند بخشی از یک فرآیند چرخه ای باشد که در آن ALF CO2 را از جریان های اگزوز حذف می کند _و CO2 جذب شده _برای ایجاد اسید فرمیک بیشتر استفاده می شود. سپس از این اسید فرمیک برای تولید ALF بیشتر استفاده می‌شود که تاثیر کلی و هزینه چرخه مواد را کاهش می‌دهد.

ایوانز گفت : «امروزه تحقیقات زیادی در مورد این مشکل در حال انجام است که با تمام CO ₂ جذب شده چه باید کرد . “به نظر می رسد ممکن است در نهایت بتوانیم از انرژی خورشیدی برای جدا کردن هیدروژن از آب استفاده کنیم و سپس آن هیدروژن را با CO ₂ ترکیب کنیم تا اسید فرمیک بیشتری تولید کنیم. همراه با ALF، این راه حلی است که به سیاره کمک می کند.”