المنجزات في المواد الصلبة ذات السمعة السائلة لتطبيقات الكابتونات

وقد برزت عملية احتجاز الكربون باعتبارها واحدة من أكثر التكنولوجيات أهمية في مكافحة تغير المناخ، كما أن التقدم الذي أحرز مؤخراً في المواد الصلبة الممتنة يعيد تشكيل إمكاناته بشكل كبير، وعلى عكس ما هو تقليدي من حرق الأمين، فإن المواد الصلبة من المواد الصلبة لا تفرض عقوبات أقل على الطاقة البعيدة عن الجيل، بل وتزيد الاستقرار في إطار عملية التقلبات الدورية، وقدرة على أن تصمم على المستوى الجزيئي، وتعجل هذه التطورات بنشر الكربون في إنتاج الطاقة الكهربائية، وإنتاج الأسمنت، والفولاذمر، والفول.

وتتوقف عملية الدفع العالمية نحو صافي الانبعاثات الصفرية على سرعة زيادة حجم احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه (المجموعة المشتركة) على الهياكل الأساسية، وتؤدي المواد الصلبة دورا محوريا لأنها يمكن تصميمها لاستخلاص ثاني أكسيد الكربون من المصادر الثابتة (مثل الغاز المفلور) والغلاف الجوي المحيطي، وتثير جذبها قابلية استخدامها، وتقويتها الميكانيكية، وتدني الارتباطع مقارنة بالمذيبات الصناعية.

فهم المواد الصلبة

أما المواد الصلبة فهي مواد مخرفة تُعدّ جزيئات ثاني أكسيد الكربون التي تُشَدّ في سطحها أو في إطار مساميرها، وتعتمد عملية الاستيعاب على إما النسيج أو النسيج (فيض قوات واس) أو الاختياط (الربط الكيميائي بالزخار، وغالباً ما تكون مع مجموعات أمينية) وتشمل المزايا الرئيسية على المذيبات السائلة الأقل.

وأبرز فئات المواد الصلبة اليوم هي الأطر المتعددة العضوية للمعادن، والزيوليات، والسرير المجهز بالأموال، والبوليمرات العضوية الناشئة، والمواد القائمة على الكربون، وكل فئة تقدم مبادلات مختلفة بين القدرات والانتقائية والاستقرار والتكلفة، ويعتبر فهم هذه المقايضة أمرا أساسيا لاستخلاص المهندسين وتطبيقات مقرري السياسات.

الأطر المعدنية - التنظيمية

أما المواد الأكثر نمواً فهي مواد مخروطية بلورية تتألف من أيون أو مجموعات معدنية مرتبطة بالألياف العضوية، حيث إن مناطقها السطحية فوق المرتفعة (حتى 7000 متر مربع/غرام) وأحجامها التي لا تحصى تسمح بمراقبة دقيقة للتفاعلات بين الضيوف والماء، أما بالنسبة لاستخلاص الكربون، فإن هذه المواد ذات مواقع معدنية مفتوحة مثل Mg-MOF-74، فإنها تظهر كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون في إطار منخفض من الفلور(66).

Zeolites

وتُحدث زيوليات طبيعية أو تُستخدم معادن ألخلندية اصطناعية ذات مجهرات محددة جيداً، وقد استخدمت هذه المعادن في صناعات لمدة عقود في الامتصاص والتحفيز، أما بالنسبة لثاني أكسيد الكربون، فإن الزيلات مثل 13X وناي تعرض انتقائية عالية على النيتروجين والميثان، ولكن أداؤها يتناقص بشدة في مجاري الرطوبة.

المواد ذات الصلة

(أ) يُجمع بين الخصائص الكيميائية لمجموعات الأمين (التي ترد كيميائياً على ثاني أكسيد الكربون لتكوين خامات) مع ارتفاع المساحة السطحية والسلامة الميكانيكية للدعم الصلب، وتشمل الدعم المشترك البوليفوري (SBA-15، MCM-41)، والباراميل متعدد الأطراف، والخلايا المحتوية على مكافئة عالية (100٪)

المنجزات الأخيرة في المواد الصلبة

وقد شهدت السنوات الخمس الماضية تعجيلاً في الابتكار عبر جميع الفئات المفترسة، وهناك عدة إنجازات تبرز إمكاناتها لنقل احتجاز الكربون من النباتات التجريبية إلى الانتشار على نطاق تجاري.

الإفطار رقم 1: ارتفاع معدل المسافات، وتدفقات المياه

ومن التطورات الأكثر تأثيراً تصميم صناديق متعددة الأطراف تحافظ على ارتفاع كميات ثاني أكسيد الكربون حتى في وجود بخار الماء، وقد أثبت المجمع MF-808، وهو إطار قائم على الزركونيوم، قدرة استيعاب ثاني أكسيد الكربون تبلغ 1.3 ملليمتر/غرام عند 0.15 بار و25 درجة مئوية، مع وجود فتيل لا يذكر بعد 100 دورة تأرجحية من الفلور الحقيقي (نسبة مئوية من معامل التخدير)

الإفطار رقم 2: شركة الأمينوسيليكا Sorbents

وقد تم منذ فترة طويلة استخدام مركبات الأمينوسيليكا لكفاءتها العالية في مجال الأمفيتامين، ولكنها عانت من تكوين الأورا خلال تجديد البخار، مما أدى إلى فقدان القدرة، وفي عام 2023، وضع باحثون في جامعة نوتردام أمناً مضبوطاً جديداً ببدائل ذات حجم كبير تعوق بشكل ثابت تكوين اليوريتا، وقد احتفظت موادهم التي بلغت مساحتها " PICA-1 " بما يزيد على 95 في المائة من الجيل الأصلي من الطاقة.

المخرج رقم 3: ميمبرنز مكدس مع فيلمين من طراز Sorbent Fillers

While not strictly a sorbent alone, the integration of solid sorbents into polymer matrices to form mixed-matrix membranes (MMMs) has created a hybrid capture technology that eliminates the need for separate adsorption beds. By dispersing MOF or zeolite nanoparticles in a selective polymer, the resulting membrane can ad2

المخرج رقم 4: البوليمرات العضوية الثابتة (PPs)

1-1 من البوليمرات العضوية الثابتة فئة من الأُطر العضوية الكاملة التي يمكن تشغيلها بمواد شديدة من ثاني أكسيد الكربون مثل الأميدي أو الغانيدين، ومن الأمثلة البارزة على ذلك أن البوليمر المسمّى بمقياس السعة القصوى من ثاني أكسيد الكربون، وهو مركب مركب مركب مركب مسطح يبلغ 1300 متر مربع/غرام، وقدرة من ثاني أكسيد الكربون تبلغ 3.4 ملم/غرام في ضغط منخفض (0.4 ميغابار)

التحديات والاتجاهات المستقبلية

وعلى الرغم من أوجه التقدم المفاجئة في المختبرات، لا تزال هناك عقبات عديدة قبل أن تصبح السهام الصلبة متذبذبة في مجال احتجاز الكربون الصناعي، وتشمل التحديات الأكثر إلحاحاً خفض التكاليف، والاستقرار الطويل الأجل في ظل ظروف العالم الحقيقي، وقابلية التوليف، والتكامل الفعال مع نظم استعادة الحرارة.

التكلفة والقابلية للتسويق

وقد يؤدي الكثير من العوامل ذات الأداء العالي - ولا سيما المحركات المزودة بملوثات عضوية ثابتة وملوثات عضوية ثابتة معقدة - إلى تركيب سلائف باهظة التكلفة أو ردود فعل متعددة الخطوات - إذ يمكن أن تتراوح أسعار الغازات الحالية بين 50 و200 دولار للكيلوغرام الواحد، بينما تبلغ تكلفة الزول التجاري حوالي 2 - 5 لكل كيلوغرام، وبالنسبة للاحتراق الواسع النطاق (بملايين الأطنان من المرفق الواحد من ثاني أكسيد الكربون) يجب أن تقل التكلفة الواعدة

قابلية التحلل والتحلل

وحتى أفضل السواحل يفقدون القدرة على تكرار دورات الاستيعاب وإعادة الجيل، ويمكن أن ينتج التحلل عن تحلل الهيدرولوريدي في السندات المعدنية - الكثيفة في المناطق الملغومة، أو أكسيد الأمينات، أو انهيار الحوليات في إطار عملية مسح البخار ذات التقلبات العالية، ويجب توسيع الاختبارات السريعة للشيخوخة لتشمل ٠٠٠ ٠١ دورة + مع وجود تعقيدات في صناعة الغاز الفلوري الحقيقي )تعاهد(.

تكامل الحرارة وتجديد الطاقة

ولا تزال الطاقة الحرارية اللازمة لإعادة التجديد تشكل عاملاً رئيسياً في التكاليف، إذ إن المواد الصلبة التي تسخن إلى 100-150 درجة مئوية تحتاج إلى البخار أو الماء الساخن؛ فمصدر هذه الحرارة يمكن أن يكون المصنع نفسه (تخفيض ناتج الطاقة الصافية) أو مصادر الطاقة المتجددة المخصصة، وقد تؤدي استراتيجيات التجديد الابتكارية، مثل التأرجح الذي يُحدثه التقلب في الحرارة أو اليود المزود بالموجات الدقيقة، إلى خفض الطلب على الطاقة بنسبة تصل إلى 40 في المائة.

التسامح والتنقل

كما أن الغاز الحقيقي المفلور يحتوي على بخار الماء، والأكسجين، وثاني أكسيد الكبريت، وأكسيد النيتروجين، والرماد، والكثير من المشابك التي تعمل جيداً في المختبر مع تدفقات ثاني أكسيد الكربون النقية تفقد الأداء عند التعرض لهذه الازدحام، مثلاً، فإن متغيرات الغاز المحتوي على الهيدرولوجي - 74 تحدث بعد بضع دورات في غاز المداخن الرطبة().

الأثر المحتمل للمنتجات الصلبة المتقدمة

ويمكن أن يؤدي نشر المواد الصلبة المتقدمة إلى إعادة تشكيل اقتصاديات احتجاز الكربون، حيث يمكن تخفيض عقوبة الطاقة من ١ - ٢ جي جي جي جي لكل طن من ثاني أكسيد الكربون )للأمناء( إلى أقل من ٨,٠ جي جي جي لكل طن، يمكن أن تؤدي المحركات الصلبة إلى خفض تكلفة استخلاص طن من ثاني أكسيد الكربون من الأسمنت أو النباتات الصلبة إلى أقل من ٠٤ دولار، مقارنة بمتوسط الطول الحالي البالغ ٠٥ دولاراً، أي ٧٠ دولاراً.

وبالإضافة إلى التكلفة، فإن المشابك الصلبة تتيح نظماً للقبض على المركبين يمكن إعادة استخدامها إلى المرافق القائمة، حيث أنها تعمل في درجة حرارة قريبة من الغموض ولا تنتج هباءاً متآكلاً، ويمكن نشرها دون تغييرات واسعة النطاق في تصميمها، كما أن الشركات مثل كليميب، وشركة ثيرموست، وشركة كاربون الهندية، تدمج بالفعل عوامل صلبة في إنتاج DACim.

إن الآثار المناخية هائلة، فإذا بلغت التكنولوجيا الصلبة القدرة الكاملة على ذلك، فإنها يمكن أن تتيح الحصول على أكثر من ٥ جيغا طن من ثاني أكسيد الكربون سنويا بحلول عام ٢٠٥٠ - مساهمة حاسمة في الحد من الاحترار العالمي إلى ١,٥ درجة مئوية، وهذا لا يتطلب ابتكار المواد فحسب بل يتطلب أيضا سياسات داعمة، وتسعير الكربون، ومشاريع بيانية واسعة النطاق، ويقدر منتدى الطاقة الدولي أن النمو في قدرة ثاني أكسيد الكربون يجب أن يتسارع بعامل ٢٠ على مدى العقد المقبل.

الاحتياجات في مجال السياسات والاستثمار

ومن شأن تحقيق الوعود التي قطعتها الشركات الصلبة أن يتطلب استثماراً عاماً وخاصة متواصلاً، ويمكن للحكومات أن تدعم البحوث الأساسية في البنى الكيميائية الجديدة، فضلاً عن الاختبارات التجريبية في البيئات الصناعية، وقد حفز قانون الهياكل الأساسية الثنائية للولايات المتحدة والائتمانات الضريبية البالغ عددها 45Q عدة مشاريع قائمة على أساس متين، بالإضافة إلى إقامة شراكات بين المختبرات الوطنية والجامعات والصناعة مثل مركز فرز النماذج التجارية في كاربون ريمور.

إن الطريق المسبق صعب ولكن واضح، فقد انتقلت المواد الصلبة من الفضول المختبرية إلى منافسين قابلين للبقاء لاحتجاز الكربون على نطاق واسع، ومع استمرار الابتكار في التوليف، وتحقيق الاستقرار، وإدماج النظم، فإنها يمكن أن تساعد على تحويل المد إلى انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية وتوفر أداة حاسمة لمستقبل صافي الصفر.