النهج الهندسية الكيميائية للقبض على الغازات الصخرية الصناعية وإعادة استخدامها

المواد الكيميائية الأساسية لصيد الغازات المفلورة

وتحتوي غازات المداخن من عمليات الاحتراق الصناعي على مزيج من النيتروجين (N2)، وثاني أكسيد الكربون، وثبات الماء (H2O)، والأكسجين (O2)، وملوثات أثرية مثل أكسيد الكبريت، وأكسيدات النيتروجين (NOx)، وخامات الجسيمات، تتراوح عادة بين 3 و15 في المائة بحسب الحجم الكيميائي (الكميات).

Established Capture Technologies

الامتصاص الكيميائي مع الأمينات

أما استهلاك المواد الكيميائية فلا يزال أكثر التكنولوجيات نضجاً فيما يتعلق بضبط ثاني أكسيد الكربون بعد الاحتراق، وفي هذه العملية، يُنقَف الغاز المفلور من خلال حل متكافئ للأمينات، وأكثرها احتكاراً، حيث إن الأمين يتفاعل مع أنابيب ثاني أكسيد الكربون لتكوين ملح كارباتي، ثم يسخن لإطلاق موجة تركيز من ثاني أكسيد الكربون وإعادة إنتاج المذيبات(2).

الامتصاص المادي

وتُستخدم المذيبات الفيزيائية، مثل سيليكسول (إثير ثنائي الميثيل من الخليل المتعدد الإيثيلين) و(Rectisol (الميثانول المسلَّم) عندما يكون الغاز المفلطح ضغط جزئي مرتفع من ثاني أكسيد الكربون، وتعتمد هذه المذيبات على القابلية للذوبان بدلاً من رد الفعل الكيميائي، مما يتيح التجدد من خلال خفض الضغط أو التدفئة دون الحاجة إلى تقطيع البخاري.

الامتصاص في السرود الصلبة

ويوفّر المذيبات الصلبة بديلاً للمذيبات السائلة، مع إمكانية توليد الطاقة المنخفضة التجدد وانخفاض التآكل، ويحقق الكربون المنشط، والزيوليات، والأطر المغنطة للمركبات العضوية، والسيارات ذات الحجم العالي، والبوليغات المحتوية على ثاني أكسيد الكربون، وهي عوامل مشتركة يمكن أن تُنفَّذ في الأسرار الثابتة أو في الأسرّة المُسرّحة باستخدام ضغط التأرجحة الحرارية().

Membrane Separation

وتستعمل تكنولوجيا الكيمبرانيات البوليمرات شبه القابلة للتداول أو المواد غير العضوية لفصل ثاني أكسيد الكربون عن الغاز المفلور استنادا إلى الاختلافات في الانتشار والقابلية للذوبان، وتحتاج نظم الاختراق ذات المقاييس المتعددة، مثل تلك التي تُصنع من البوليميري أو من البوليثيلين - أكسيد البولي، إلى أجهزة ضغط عالية من ثاني أكسيد الكربون، وإلى تكاثر النسيج الجيد على نوام 2.

Chemical Looping Combustion

ويتخذ الاحتراق في مجال النزهة الكيميائية نهجا مختلفا اختلافا جوهريا: فبدلا من احتجاز ثاني أكسيد الكربون من الغاز المفلور، يحول النيتروجين عن الاتصال بالوقود، ويضم ناقل الأوكسجين المزود بمقياس ثاني أكسيد الكربون، مثل الفلور أوكسيد التراكمي، بين مفاعلين كثيفي، وفي مفاعل الوقود، يُثبت أكسيد المعادن أن الوقود يزيل إلى ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد النيتروز.

دال - عمليات القدرات المحسنة

Novel Solvents and Solvent Blends

وقد أدى الدافع إلى تخفيض عقوبة الطاقة لتوليد الطاقة إلى تطوير مذيبات جديدة، بما في ذلك الأمينات المعاقة (مثلاً، وجود ثنائيات الفينيل -1 -بروبانول، وثنائيات الكربون - مركبات الكربون المخففة) ومذيبات ذات قدرة مائية مثل السوائل الأيونية والكربونات العضوية، كما أن مذيبات التحول التي تشكل سائلاً ثنائياً أو صلباً تؤدي إلى الحد من حجم المذيبات التي يجب أن تكون ملوثة.

المرفقات

وتستخدم الأساليب الكيمائية الإلكترونية ردود الفعل ذات السمة الحمراء على أساس ثنائي وإطلاق ثاني أكسيد الكربون مع الحد الأدنى من المدخلات الحرارية، وفي نهج واحد، يتم تخفيض الجزيء الذي يستند إلى خمس سنوات في شكل صبغة خماسية، وهو ما يتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون في شكل منتج كربوني، ثم يتم تأكسد الخصم عند مستوى عال، وتخليص ثاني أكسيد الكربون وإعادة إنتاج خماسي.

تكثيف العملية والتصميم النموذجي

ويستخدم مهندسو المواد الكيميائية عملية تكثيف العمليات للحد من حجم وتكاليف معدات الإمساك، كما أن تناوب الأسرّة المكبّدة، مثلا، استخدام قوات الطرد المركزي لزيادة نقل الكتلة السائلة من الغازات، مما يقلل من ارتفاع أعمدة الاستيعاب بمعامل 10 مفاعلات تعمل بالميكانيكيات الدقيقة، يمكن أن يُمكّن من ضبط دقيق لدرجات الحرارة والإقامة، ويُحسّن إنتاج وحدات التقاطات المُعية، المصممة لصناعة من أجل تصنيع المصانع(2).

مسارات استخدام الغازات المفلورة

Carbon Capture and Utilization (CCU) for Fuels

ويمكن تحويل ثاني أكسيد الكربون الملتقط إلى وقود اصطناعية من خلال طرق الطاقة الحرارية والكهربائية أو البيولوجية، كما أن الهيدروجين من ثاني أكسيد الكربون إلى الميثانول (C2 + 3H2 ⁇ CH3OH + H2OO) يحفزه كوقود/زنط/ألف-2O3 على أساس أن يكون الوقود المولد من 50 إلى 100 وقود من 200 إلى 300 درجة مئوية.

المواد الكيميائية: أوريه، وبوليمر، وكربونات

وقد تم إنتاج هذه المواد من الأمونيا وثاني أكسيد الكربون أكبر منتج كيميائي مستمد من ثاني أكسيد الكربون، حيث تم استهلاك حوالي 150 مليون طن سنوياً كسماد، وتشمل الاستخدامات الصناعية الأخرى توليف مركبات الكربون المتعددة الفلورية وسلائف البوليوريثان، مثل كربونات ثنائي الفينيل وكربونات التقلبات الدورية.

مواد الكربون والتشييد المعدنية

وتتفاعل ثاني أكسيد الكربون المعدنية مع مركبات الكالسيوم أو المغنيسيليكات لتكوين كربونات ثابتة مثل الكالسيت (CaCO3) أو المغنطيسي (MgCO3). وهذا التفاعل هو طقس طقس طهيدي وميثامي، مخزنة بشكل دائم ثاني أكسيد الكربون في شكل صلب، ويمكن استخدام الكربون الناتج كمجاميع لمصانع الخرسانة أو الطوب أو المواد الفوقية([FarT).

Enhanced Oil Recovery (EOR) and Geologic Storage

وفي مجال تحسين استرداد النفط، يُحقن ثاني أكسيد الكربون في خزانات نفطية لتقليل التقلبات النفطية وزيادة الضغط على الخزانات، وتحسين استرداد النفط بنسبة ٥-١٥ في المائة، وفي حين أن شركة " إيور " هي طريق مثبت للاستخدام تم ممارسته منذ عقود في حوض المحيط الفارمي، فإنها ترتبط ارتباطاً أصيلاً باستخراج الوقود الأحفوري ولا تخزن دائماً جميع أرصدة ثاني أكسيد الكربون المتجهة في شكل النفط.

التحول البيولوجي: ألفا وخصوبة

ويمكن أن يصلح هذا المفاعل المصغر ثاني أكسيد الكربون عن طريق التكوين الضوئي بمعدلات تتراوح بين 10 و50 مرة أعلى من النباتات الأرضية، كما أن الغاز المفلور يُنقَف من خلال مفاعلات إنتاجية تحتوي على الطحالب مثل الكروليا فولغاري أو

التكامل والتصميم على مستوى المنظومة

دمج الحرارة والحد من عقوبة الطاقة

أهم حاجز في انتشار الطاقة هو حمولة الطاقة الطفيلية التي يمكن أن تقلل من ناتج محطات الطاقة بنسبة 20 إلى 30 في المائة مهندسو المواد الكيميائية يستخدمون تحليلات الصواعق لدمج حرارة النفايات من عملية التقاط (مثلاً من مشغل ثاني أكسيد الكربون) في دورة البخار في محطة توليد الطاقة.

الطاقة المتجددة

يمكن تصميم نظم الضبط الصناعي للغاز المفلور، مع زيادة نمو الطاقة المتجددة المتغيرة، من أجل التشغيل المرن، وخلال فترات انخفاض الطلب على الكهرباء أو فائض توليد الطاقة المتجددة، يمكن تشغيل معدات التقاط الطاقة بقدر أكبر من أجل تخزين ثاني أكسيد الكربون أو إنتاج الوقود التركيبي.() ويمكن للنظم القائمة على العزل أن تحافظ على مذيب محمول يمكن تجديده عندما تكون الطاقة المتجددة متاحة.()

نماذج الاقتصاد العلماني للغازات الصناعية

وينظر النهج التعميمي حقا إلى الغازات الفلورية ليس كهدر وإنما كمواد وسيطة لنظم إيكولوجية صناعية مغلقة، ففي مصنع فولاذي، مثلا، يمكن احتجاز الغاز الفرني المنفجر (المثرى في ثاني أكسيد الكربون) واقترانه بثاني أكسيد الكربون من التحلل الكهربائي لإنتاج الميثانول، الذي يمكن استخدامه بعد ذلك كوقود لإعادة تدوير الفولاذ، حيث يمكن أن تؤدي عوامل التحلل الحراري الناتجة عن تركيبة إلى توليد النفايات().

مقاييس اقتصادية وبيئية

تكلفة الإمساك والتكلفة المتجنبة

وتتفاوت تكلفة احتجاز ثاني أكسيد الكربون من المصادر الصناعية تباينا كبيرا حسب القطاع، وبالنسبة لمصانع الطاقة العاملة في إطار دورة الغاز الطبيعي مجتمعة، تبلغ التكلفة المستقرة للقبض نحو ٥٠-٧٠ لكل طن من ثاني أكسيد الكربون؛ وبالنسبة لمصانع الفحم، و ٤٠-٦٠؛ وبالنسبة لمصانع الأسمنت ٦٠-٩٠، وتصبح تكاليف الانتاج الأحفوري التي تتجاوز تكاليف الاستيعاب، وضغطها ٣٠٠ في المائة.

تقييم دورة الحياة

ومن الضروري إجراء تقييم كامل لدورة الحياة لضمان أن يؤدي التقاط واستخدام الانبعاثات الصافية فعلاً، فعلى سبيل المثال، إذا كانت الكهرباء من أجل تجديد المذيبات تأتي من محطة توليد الطاقة العاملة بالفحم، فإن التخفيض العام لثاني أكسيد الكربون قد لا يكون إلا 50-70 في المائة. [[FLT:] مقارنة بين جميع أنواع الغازات المحسوبة بالغاز (2021) أظهر أن إنتاج وقود العجلات الاصطناعية من ثاني أكسيد الكربون ومتجدد يمكن أن يقلل من دورة غازات الدفيئة

توجيهات وتحديات البحوث المستقبلية

المواد القابلة للاستمرار وبقعة الموز

وعلى الرغم من التقدم المحرز في مجال المذيبات والمذيبات، فإن الاستقرار الطويل الأجل في ظل ظروف الغاز المفلور الحقيقي يظل عقبة رئيسية.

دمج التقاطات في التقاط الهواء المباشر

ومن النهج التكميلي الجمع بين الاستيلاء على المصادر المرجعية مع التقاط الهواء المباشر لمعالجة الانبعاثات المركزة والمخففة على السواء، وفي حين أن المادة الكيميائية أكثر تكلفة (250-600/t)، فإنها تتيح إمكانية انبعاثات الطاقة الصافية عندما تقترن بالطاقة الأحيائية (BECCS).

السياسات العامة، والتصور العام، والنشر

(ج) إن الجدوى التقنية وحدها غير كافية؛ ويتطلب الاعتماد الواسع النطاق سياسات داعمة، وتسعير الكربون، وقبول الجمهور، وقد شهد نظام الاتحاد الأوروبي لتجارة الانبعاثات ارتفاعاً في أسعار الكربون فوق 90/لتر، مما يجعل من الممكن اقتصادياً في قطاعات كثيرة، وقد وسع قانون خفض التضخم الصادر في عام 2022 نطاق الائتمان البالغ 45 كيلومتراً، وتضمن أحكاماً تتعلق بالأجر المباشر، غير أن معارضة مواقع التخزين الجيولوجي (مثلاً، الشواغل المتعلقة بالتلوث في المياه الجوفية).

ونظراً لأن غازات المداخن الصناعية لا تزال هدفاً رئيسياً للتخفيف من حدة المناخ في الأجل القريب، فإن الابتكار في مجال الهندسة الكيميائية سيكون حاسماً، فمنذ أن يُستفحل الكيمياء المذيبة إلى تصميم مفاعلات نموذجية قابلة للتوسع، ويتكامل مع نظم الطاقة المتجددة، فإن الميدان مستعد لتقديم حلول عملية تلتقط هذه الغازات وتعيد استخدامها، وتتحول مسار النفايات إلى مورد، ويتطلب المضي قدماً تعاوناً متواصلاً في مجال البحوث بين الأوساط الأكاديمية والصناعة وصانعي السياسات، مدعومة بتحليل دقيق.