Shamria
عضوية شرفية
نجح باحثون بجامعة نيوكاسل في تطوير غشاء جديد يعمل بالطاقة المحيطة ويقوم بضخ ثاني أكسيد الكربون من الهواء.
تم تحديد التقاط الهواء المباشر باعتباره أحد "الفصل الكيميائي السبعة لتغيير العالم". وذلك لأنه على الرغم من أن ثاني أكسيد الكربون هو المساهم الرئيسي في تغير المناخ (نطلق حوالي 40 مليار طن في الغلاف الجوي كل عام)، فإن فصل ثاني أكسيد الكربون عن الهواء يمثل تحديًا كبيرًا بسبب تركيزه المخفف (~0.04٪).
يقول البروفيسور إيان ميتكالف، رئيس قسم التقنيات الناشئة في الأكاديمية الملكية للهندسة في كلية الهندسة بجامعة نيوكاسل بالمملكة المتحدة والمحقق الرئيسي: "إن عمليات الفصل المخفف هي أصعب عمليات الفصل التي يمكن إجراؤها لسببين رئيسيين. أولاً، بسبب التركيز المنخفض، تكون حركية (سرعة) التفاعلات الكيميائية التي تستهدف إزالة المكون المخفف بطيئة للغاية. ثانياً، يتطلب تركيز المكون المخفف قدرًا كبيرًا من الطاقة".
إن هذين التحديين هما ما شرع باحثو نيوكاسل (مع زملاء في جامعة فيكتوريا في ويلينغتون بنيوزيلندا، وإمبريال كوليدج لندن بالمملكة المتحدة، وجامعة أكسفورد بالمملكة المتحدة، وجامعة ستراثكلايد بالمملكة المتحدة، وجامعة لندن بالمملكة المتحدة) في معالجتهما بعملية الغشاء الجديدة. ومن خلال استخدام الاختلافات الطبيعية في الرطوبة كقوة دافعة لضخ ثاني أكسيد الكربون من الهواء، تغلب الفريق على تحدي الطاقة. كما ساعد وجود الماء في تسريع نقل ثاني أكسيد الكربون عبر الغشاء، مما أدى إلى معالجة التحدي الحركي.
نُشرت الدراسة في مجلة Nature Energy ، ويوضح الدكتور جريج إيه موتش، زميل الأكاديمية الملكية للهندسة في كلية الهندسة بجامعة نيوكاسل بالمملكة المتحدة: "سيكون التقاط الهواء المباشر مكونًا رئيسيًا لنظام الطاقة في المستقبل. وسوف تكون هناك حاجة لالتقاط الانبعاثات من مصادر ثاني أكسيد الكربون المتنقلة والموزعة والتي لا يمكن إزالة الكربون منها بسهولة بطرق أخرى".
"في عملنا، نستعرض أول غشاء صناعي قادر على التقاط ثاني أكسيد الكربون من الهواء وزيادة تركيزه دون الحاجة إلى الطاقة التقليدية مثل الحرارة أو الضغط. وأعتقد أن التشبيه المفيد قد يكون دولاب المياه في مطحنة الدقيق. فبينما تستخدم المطحنة نقل المياه إلى أسفل لدفع عملية الطحن، نستخدمها نحن لضخ ثاني أكسيد الكربون من الهواء".
عمليات الفصل
تشكل عمليات الفصل أساس معظم جوانب الحياة الحديثة. فمن الطعام الذي نتناوله، إلى الأدوية التي نتناولها، إلى الوقود أو البطاريات في سياراتنا، خضعت معظم المنتجات التي نستخدمها لعمليات فصل متعددة. وعلاوة على ذلك، تشكل عمليات الفصل أهمية كبيرة للحد من النفايات والحاجة إلى إصلاح البيئة، مثل التقاط ثاني أكسيد الكربون من الهواء مباشرة.
ولكن في عالم يتجه نحو الاقتصاد الدائري، سوف تصبح عمليات الفصل أكثر أهمية. وهنا قد يُستخدم التقاط الهواء المباشر لتوفير ثاني أكسيد الكربون كمادة خام لصنع العديد من المنتجات الهيدروكربونية التي نستخدمها اليوم، ولكن في دورة خالية من الكربون، أو حتى سلبية الكربون.
والأمر الأكثر أهمية هو أنه إلى جانب التحول إلى الطاقة المتجددة والتقاط الكربون التقليدي من مصادر نقطية مثل محطات الطاقة، فإن التقاط الهواء المباشر ضروري لتحقيق الأهداف المناخية، مثل هدف 1.5 درجة مئوية الذي حددته اتفاقية باريس.
الغشاء الذي يعمل بالرطوبة
يوضح الدكتور إيفانجيلوس بابايوانو، المحاضر الأول في كلية الهندسة بجامعة نيوكاسل بالمملكة المتحدة، "في انحراف عن عملية الغشاء النموذجية، وكما هو موضح في ورقة البحث، اختبر الفريق غشاءً جديدًا نافذًا لثاني أكسيد الكربون مع مجموعة متنوعة من الاختلافات في الرطوبة المطبقة عليه. عندما كانت الرطوبة أعلى على جانب مخرج الغشاء، ضخ الغشاء ثاني أكسيد الكربون تلقائيًا في تيار المخرج هذا".
وباستخدام التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية مع زملاء من جامعة لندن وجامعة أكسفورد، تمكن الفريق من تحديد بنية الغشاء بدقة. وقد مكنهم هذا من إجراء مقارنات أداء قوية مع الأغشية الأخرى المتطورة.
كان أحد الجوانب الرئيسية للعمل هو نمذجة العمليات التي تحدث في الغشاء على المستوى الجزيئي. باستخدام حسابات نظرية الكثافة الوظيفية مع أحد المتعاونين التابعين لكل من جامعة فيكتوريا في ويلينجتون وإمبريال كوليدج لندن، حدد الفريق "الناقلات" داخل الغشاء. ينقل الناقل بشكل فريد كل من ثاني أكسيد الكربون والماء ولكن لا شيء آخر. يلزم الماء لإطلاق ثاني أكسيد الكربون من الغشاء، وثاني أكسيد الكربون مطلوب لإطلاق الماء. وبسبب هذا، يمكن استخدام الطاقة من فرق الرطوبة لدفع ثاني أكسيد الكربون عبر الغشاء من تركيز منخفض إلى تركيز أعلى.
ويضيف البروفيسور ميتكالف: "لقد كان هذا جهدًا جماعيًا حقيقيًا على مدار عدة سنوات. ونحن ممتنون للغاية للمساهمات من زملائنا، وللدعم من الأكاديمية الملكية للهندسة ومجلس أبحاث الهندسة والعلوم الفيزيائية"
تم تحديد التقاط الهواء المباشر باعتباره أحد "الفصل الكيميائي السبعة لتغيير العالم". وذلك لأنه على الرغم من أن ثاني أكسيد الكربون هو المساهم الرئيسي في تغير المناخ (نطلق حوالي 40 مليار طن في الغلاف الجوي كل عام)، فإن فصل ثاني أكسيد الكربون عن الهواء يمثل تحديًا كبيرًا بسبب تركيزه المخفف (~0.04٪).
يقول البروفيسور إيان ميتكالف، رئيس قسم التقنيات الناشئة في الأكاديمية الملكية للهندسة في كلية الهندسة بجامعة نيوكاسل بالمملكة المتحدة والمحقق الرئيسي: "إن عمليات الفصل المخفف هي أصعب عمليات الفصل التي يمكن إجراؤها لسببين رئيسيين. أولاً، بسبب التركيز المنخفض، تكون حركية (سرعة) التفاعلات الكيميائية التي تستهدف إزالة المكون المخفف بطيئة للغاية. ثانياً، يتطلب تركيز المكون المخفف قدرًا كبيرًا من الطاقة".
إن هذين التحديين هما ما شرع باحثو نيوكاسل (مع زملاء في جامعة فيكتوريا في ويلينغتون بنيوزيلندا، وإمبريال كوليدج لندن بالمملكة المتحدة، وجامعة أكسفورد بالمملكة المتحدة، وجامعة ستراثكلايد بالمملكة المتحدة، وجامعة لندن بالمملكة المتحدة) في معالجتهما بعملية الغشاء الجديدة. ومن خلال استخدام الاختلافات الطبيعية في الرطوبة كقوة دافعة لضخ ثاني أكسيد الكربون من الهواء، تغلب الفريق على تحدي الطاقة. كما ساعد وجود الماء في تسريع نقل ثاني أكسيد الكربون عبر الغشاء، مما أدى إلى معالجة التحدي الحركي.
نُشرت الدراسة في مجلة Nature Energy ، ويوضح الدكتور جريج إيه موتش، زميل الأكاديمية الملكية للهندسة في كلية الهندسة بجامعة نيوكاسل بالمملكة المتحدة: "سيكون التقاط الهواء المباشر مكونًا رئيسيًا لنظام الطاقة في المستقبل. وسوف تكون هناك حاجة لالتقاط الانبعاثات من مصادر ثاني أكسيد الكربون المتنقلة والموزعة والتي لا يمكن إزالة الكربون منها بسهولة بطرق أخرى".
"في عملنا، نستعرض أول غشاء صناعي قادر على التقاط ثاني أكسيد الكربون من الهواء وزيادة تركيزه دون الحاجة إلى الطاقة التقليدية مثل الحرارة أو الضغط. وأعتقد أن التشبيه المفيد قد يكون دولاب المياه في مطحنة الدقيق. فبينما تستخدم المطحنة نقل المياه إلى أسفل لدفع عملية الطحن، نستخدمها نحن لضخ ثاني أكسيد الكربون من الهواء".
عمليات الفصل
تشكل عمليات الفصل أساس معظم جوانب الحياة الحديثة. فمن الطعام الذي نتناوله، إلى الأدوية التي نتناولها، إلى الوقود أو البطاريات في سياراتنا، خضعت معظم المنتجات التي نستخدمها لعمليات فصل متعددة. وعلاوة على ذلك، تشكل عمليات الفصل أهمية كبيرة للحد من النفايات والحاجة إلى إصلاح البيئة، مثل التقاط ثاني أكسيد الكربون من الهواء مباشرة.
ولكن في عالم يتجه نحو الاقتصاد الدائري، سوف تصبح عمليات الفصل أكثر أهمية. وهنا قد يُستخدم التقاط الهواء المباشر لتوفير ثاني أكسيد الكربون كمادة خام لصنع العديد من المنتجات الهيدروكربونية التي نستخدمها اليوم، ولكن في دورة خالية من الكربون، أو حتى سلبية الكربون.
والأمر الأكثر أهمية هو أنه إلى جانب التحول إلى الطاقة المتجددة والتقاط الكربون التقليدي من مصادر نقطية مثل محطات الطاقة، فإن التقاط الهواء المباشر ضروري لتحقيق الأهداف المناخية، مثل هدف 1.5 درجة مئوية الذي حددته اتفاقية باريس.
الغشاء الذي يعمل بالرطوبة
يوضح الدكتور إيفانجيلوس بابايوانو، المحاضر الأول في كلية الهندسة بجامعة نيوكاسل بالمملكة المتحدة، "في انحراف عن عملية الغشاء النموذجية، وكما هو موضح في ورقة البحث، اختبر الفريق غشاءً جديدًا نافذًا لثاني أكسيد الكربون مع مجموعة متنوعة من الاختلافات في الرطوبة المطبقة عليه. عندما كانت الرطوبة أعلى على جانب مخرج الغشاء، ضخ الغشاء ثاني أكسيد الكربون تلقائيًا في تيار المخرج هذا".
وباستخدام التصوير المقطعي المحوسب بالأشعة السينية مع زملاء من جامعة لندن وجامعة أكسفورد، تمكن الفريق من تحديد بنية الغشاء بدقة. وقد مكنهم هذا من إجراء مقارنات أداء قوية مع الأغشية الأخرى المتطورة.
كان أحد الجوانب الرئيسية للعمل هو نمذجة العمليات التي تحدث في الغشاء على المستوى الجزيئي. باستخدام حسابات نظرية الكثافة الوظيفية مع أحد المتعاونين التابعين لكل من جامعة فيكتوريا في ويلينجتون وإمبريال كوليدج لندن، حدد الفريق "الناقلات" داخل الغشاء. ينقل الناقل بشكل فريد كل من ثاني أكسيد الكربون والماء ولكن لا شيء آخر. يلزم الماء لإطلاق ثاني أكسيد الكربون من الغشاء، وثاني أكسيد الكربون مطلوب لإطلاق الماء. وبسبب هذا، يمكن استخدام الطاقة من فرق الرطوبة لدفع ثاني أكسيد الكربون عبر الغشاء من تركيز منخفض إلى تركيز أعلى.
ويضيف البروفيسور ميتكالف: "لقد كان هذا جهدًا جماعيًا حقيقيًا على مدار عدة سنوات. ونحن ممتنون للغاية للمساهمات من زملائنا، وللدعم من الأكاديمية الملكية للهندسة ومجلس أبحاث الهندسة والعلوم الفيزيائية"
