مواد و ساخت پیشرفته

جذب و ذخیره‌سازی کربن (CCS) یک راهکار کلیدی برای کاهش تغییرات اقلیمی است که از مواد نوآورانه برای جذب CO₂ بهره می‌برد تا کارایی را افزایش داده و از روش‌های پایدار پشتیبانی کند. جذب و ذخیره‌سازی کربن یکی از مؤثرترین روش‌ها برای کاهش انتشار دی‌اکسید کربن (CO₂) محسوب می‌شود. این فناوری با جلوگیری از انتشار CO₂ به جو، به کاهش تغییرات اقلیمی، پشتیبانی از شیوه‌های صنعتی پایدار و دستیابی به اهداف انتشار خالص صفر کمک می‌کند.

CCS فرایندی است که برای جذب، انتقال و ذخیره‌سازی CO₂ از منابع ثابت مانند نیروگاه‌های سوخت فسیلی، تولید سیمان، صنایع فولاد و سایر صنایع سنگین طراحی شده است. این بخش‌ها به دلیل وابستگی به فرآیندهای دمای بالا و انرژی حاصل از سوخت‌های فسیلی، سخت‌کربن‌زدایی در نظر گرفته می‌شوند.

با افزایش غلظت CO₂ و تشدید اثر گلخانه‌ای، توسعه راهکارهای مؤثر برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای امری حیاتی است. فناوری‌های جذب CO₂ می‌توانند انتشار این گاز را تا ۹۰٪ کاهش دهند و نقش مهمی در محدودسازی گرمایش جهانی ایفا کنند.

پس از جذب، CO₂ یا در ساختارهای زمین‌شناختی ذخیره می‌شود یا در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. به گفته آژانس بین‌المللی انرژی (IEA)، فناوری‌های ذخیره‌سازی کربن می‌توانند تا سال ۲۰۵۰ حدود ۲۰٪ از انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش دهند.

تفاوت بین ذخیره‌سازی و جذب کربن چیست؟

مواد مورد استفاده در جذب و ذخیره‌سازی کربن

کارایی و امکان‌پذیری CCS به موادی که در جذب و ذخیره‌سازی CO₂ استفاده می‌شوند، بستگی دارد. انتخاب مواد بر اساس ویژگی‌هایی مانند تخلخل، واکنش‌پذیری شیمیایی، پایداری و مقیاس‌پذیری انجام می‌شود که هر یک بر عملکرد در مراحل مختلف فرآیند CCS تأثیر می‌گذارند.

چارچوب‌های فلزی-آلی (MOFs)

MOFs موادی بسیار متخلخل متشکل از یون‌های فلزی و مولکول‌های آلی هستند. مساحت سطح بالا و اندازه منافذ قابل تنظیم (تا ۲ نانومتر) باعث شده این مواد برای جذب CO₂ مناسب باشند. برخی MOF‌ها قادرند تا ۹۰٪ از CO₂ را از مخلوط‌های گازی جذب کنند و برای کاربردهای صنعتی مفید هستند.

اما عملکرد آن‌ها بسته به شرایط فشار متغیر است. معمولاً MOFها در فشار بالا عملکرد بهتری دارند و در فشار پایین کمتر مؤثرند. محققان برای افزایش کارایی آن‌ها روش‌هایی مانند اصلاح ساختار شیمیایی را بررسی کرده‌اند. به عنوان مثال، افزودن تترااتیلن‌پنت‌آمین (TEPA) به MOF-177 باعث کاهش مقاومت در برابر انتشار CO₂ و افزایش دسترسی به سایت‌های فعال می‌شود. این تغییر، ظرفیت جذب CO₂ را به ۴.۶۰ میلی‌مول بر گرم در دمای ۲۹۸ کلوین و فشار ۱ بار افزایش می‌دهد.

زئولیت‌ها

زئولیت‌ها مواد معدنی آلومینوسیلیکاتی با ساختار میکروحفره‌ای منظم هستند که به‌طور گسترده در جداسازی گازها استفاده می‌شوند. گزینش‌پذیری بالا در جذب CO₂، وفور طبیعی و هزینه پایین آن‌ها را به گزینه‌ای مناسب برای سیستم‌های CCS در مقیاس بزرگ تبدیل کرده است.

با این حال، چالش اصلی زئولیت‌ها، حساسیت به رطوبت است، زیرا CO₂ و آب برای جذب در سایت‌های فعال رقابت می‌کنند. همچنین، زئولیت‌هایی که نسبت Si/Al پایینی دارند، بیشتر مستعد هیدرولیز هستند و دوام کمتری در محیط‌های مرطوب دارند.

جاذب‌های آمینی

جاذب‌های آمینی مانند مونو اتانول آمین (MEA) به دلیل راندمان جذب بالا و هزینه نسبتاً پایین، در کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این ترکیبات با CO₂ واکنش داده و واسطه‌هایی پایدار مانند کاربامات یا بی‌کربنات تشکیل می‌دهند که در مرحله بعدی با فرآیند بازیافت، CO₂ جذب‌شده آزاد می‌شود.

کربن فعال

کربن فعال به دلیل سطح ویژه بالا (تا ۳۰۰۰ متر مربع بر گرم) و قابلیت جذب ۳۰۰ میلی‌مول CO₂ در هر گرم در ساعت تحت فشار اتمسفری، ماده‌ای پرکاربرد در CCS محسوب می‌شود. همچنین، این ماده سازگار با محیط زیست است، زیرا می‌توان آن را از منابع تجدیدپذیر مانند پوسته نارگیل و ضایعات کشاورزی تولید کرد.

مایعات یونی

مایعات یونی نمک‌هایی هستند که در دمای اتاق به‌صورت مایع باقی می‌مانند. این مواد دارای فرّاریت کم، پایداری حرارتی بالا و حلالیت قوی CO₂ هستند که آن‌ها را به گزینه‌ای بالقوه برای جذب CO₂ تبدیل کرده است. با این حال، هزینه تولید بالا مانعی برای استفاده گسترده از این فناوری است.

بیوچار

بیوچار، یک ماده غنی از کربن است که از پیرولیز زیست‌توده به دست می‌آید و می‌تواند CO₂ را برای قرن‌ها در خاک ذخیره کند. ظرفیت جذب CO₂ در بیوچار بین ۲ تا ۳ میلی‌مول بر گرم متغیر است و با افزایش خاصیت قلیایی سطحی بهبود می‌یابد، هرچند تمایل زیاد به جذب آب کارایی آن را در شرایط مرطوب کاهش می‌دهد.

اکسید کلسیم (CaO)

CaO (آهک زنده) در فرآیند حلقه کلسیم مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این فرآیند، CaO با CO₂ واکنش داده و کربنات کلسیم (CaCO₃) تشکیل می‌دهد که سپس با حرارت‌دهی بازیابی می‌شود.

مزایای CaO:

واکنش‌پذیری بالا

وفور طبیعی

تأمین انرژی از واکنش گرمازا برای سایر فرآیندهای صنعتی

تحقیقات و روندهای آینده در CCS

تلاش‌های پژوهشی در حوزه CCS بر توسعه مواد مقیاس‌پذیر، کارآمد و مقرون‌به‌صرفه متمرکز است. از جمله مواد نوظهور می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

هیدروکسیدهای دولایه‌ای (LDH) با قابلیت جذب بالاتر

شبکه‌های نانوحفره‌ای و MOFهای پیشرفته

مواد ترکیبی جدید مانند MOFهای تقویت‌شده با گروه‌های آمینی

نانوموادی مانند نانولوله‌های کربنی و گرافن

نتیجه‌گیری: با توجه به اهمیت CCS در کاهش انتشار CO₂، تحقیق و توسعه در این حوزه نقش کلیدی در مبارزه با تغییرات اقلیمی ایفا خواهد کرد.

منبع