علمی، پژوهشی و فناوری

جذب کربن از هوا با غشای رطوبتی امکان‌پذیر شد

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : جذب مستقیم از هوا به عنوان یکی روش‌های جداسازی هفت ماده شیمیایی برای تغییر جهان شناخته می‌شود. اگرچه دی اکسید کربن عامل اصلی تغییرات اقلیمی است (آزادسازی سالانه ۴۰ میلیارد تن کربن در جو)، اما جداسازی دی اکسید کربن از هوا به دلیل غلظت رقیق آن (~۰.۰۴ ٪) بسیار چالش برانگیز است.

چالش‌های جدا سازی دی اکسید کربن 

پروفسور «ایان متکالف» «Ian Metcalfe» رئیس آکادمی سلطنتی مهندسی در فناوری‌های نوظهور در دانشکده مهندسی دانشگاه نیوکاسل انگلیس و مجری این تحقیقات گفت: «فرایند‌های جداسازی رقیق، از دو نظر چالش برانگیزترین جداسازی‌ها برای انجام هستند. نخست، به دلیل غلظت کم، جنبش (سرعت) واکنش‌های شیمیایی که حذف جزء رقیق را هدف قرار می‌دهند بسیار کُند است. دوم، تغلیظ جزء رقیق به انرژی زیادی نیاز دارد.»

این دو چالشی است که محققان دانشگاه نیوکاسل با همکاری پژوهشگران دانشگاه ویکتوریا ولینگتون در نیوزیلند، امپریال کالج لندن، دانشگاه آکسفورد، دانشگاه استراثکلاید و UCL در انگلیس تصمیم گرفتند با روش جدید خود به آنها رسیدگی کنند. آنها برای غلبه بر چالش انرژی فرآیند، از تفاوت‌های رطوبت طبیعی به عنوان نیروی محرکه برای پمپاژ دی اکسید کربن از هوا استفاده کردند. وجود آب همچنین انتقال دی اکسید کربن را از طریق غشاء تسریع کرد و چالش جنبشی را برطرف کرد.

دکتر «گِرِگ ماچ» «Greg A. Mutch» یکی دیگر از محققان این پروژه توضیح داد: «گرفتن مستقیم از هوا بخش اصلی سیستم انرژی آینده خواهد بود. برای گرفتن انتشار گاز‌های گلخانه‌ای از منابع متحرک و پراکنده دی اکسید کربن که به راحتی نمی‌توان به روش‌های دیگر کربن زدایی کرد، این روش مورد نیاز است».

وی ادامه داد: «در این پژوهش، ما نخستین غشای مصنوعی را عرضه کردیم که قادر به جذب دی اکسید کربن از هوا و افزایش غلظت آن بدون مصرف انرژی رایج مانند گرما یا فشار است. کاری شبیه چرخ آب در آسیاب آرد. در حالی که یک آسیاب از انتقال آب در سراشیبی برای هدایت آسیاب استفاده می‌کند، ما از آن برای پمپ کردن دی اکسید کربن از هوا استفاده می‌کنیم.»

فرایند جداسازی 

فرآیند‌های جدایی زیربنای بیشتر جنبه‌های زندگی مدرن است. از غذایی که می‌خوریم گرفته تا دارو‌هایی که مصرف می‌کنیم و سوخت یا باتری‌های خودرویمان، اکثر محصولاتی که استفاده می‌کنیم چندین فرآیند جداسازی را پشت سر گذاشته اند. علاوه بر این، فرآیند‌های جداسازی برای به حداقل رساندن پسماند و نیاز به اصلاح محیطی، مانند جذب مستقیم دی اکسید کربن از هوا، مهم هستند.

با این حال، در دنیایی که به سمت اقتصاد دایره‌ای حرکت می‌کند، فرآیند‌های جداسازی حتی بسیار مهمتر می‌شوند. در اینجا، جذب مستقیم هوا ممکن است برای تهیه دی اکسید کربن به عنوان ماده اولیه برای ساخت بسیاری از محصولات هیدروکربنی مصرفی امروز، استفاده شود، اما در یک چرخه کربن خنثی یا حتی کربن منفی.

نکته مهمتر آنکه، در کنار گذار به سوی انرژی‌های تجدیدپذیر و جذب کربن سنتی از منابع نقطه‌ای مانند نیروگاه‌ها، جذب مستقیم از هوا برای تحقق اهداف اقلیمی، مانند هدف محدود کردن افزایش دما به ۱.۵ درجه سانتیگراد بر اساس توافق نامه پاریس، ضروری است.

جذب کربن با استفاده از رطوبت 

محققان این پژوهش می‌گویند: «در انحراف از عملیات غشایی معمولی، یک غشای جدید نفوذپذیر از دی اکسید کربن را با اعمال انواع مختلفی از رطوبت روی آن آزمایش کردیم. هنگامی که رطوبت در سمت خروجی غشاء بیشتر بود، غشا به طور خود به خود دی اکسید کربن را به جریان خروجی پمپ می‌کرد».

پژوهشگران با استفاده از توموگرافی ریز کامپیوتری اشعه ایکس موفق شدند ساختار غشاء را دقیقا مشخص کنند و مقایسه عملکرد قوی با سایر غشا‌های پیشرفته ارائه دهند.

یکی از جنبه‌های کلیدی کار، مدل سازی فرآیند‌های رخ داده در غشاء در مقیاس مولکولی است. دانشمندان با استفاده از محاسبات تئوری عملکردی چگالی «حامل» را در غشاء شناسایی کردند. حامل به طور منحصربفردی هم دی اکسید کربن و هم آب را منتقل می‌کند، اما هیچ چیز دیگری را حمل نمی‌کند. آب برای آزاد کردن دی اکسید کربن از غشاء و دی اکسید کربن برای آزاد کردن آب مورد نیاز است. به همین دلیل، انرژی حاصل از اختلاف رطوبت می‌تواند برای هدایت دی اکسید کربن در غشا از غلظت کم به غلظت بالاتر استفاده شود.

نتایج این تحقیقات در نشریه Nature Energy منتشر شده است.