تجديد مذيب هجين محفز في عمليات الغشاء بالفراغ لاحتجاز الهواء المباشر

التقاط الكربون من هواء كل يوم

سحب ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الهواء هو أحد الأدوات التي يأمل العلماء في استخدامها لإبطاء تغير المناخ، لكن ذلك يتطلب اليوم الكثير من الطاقة. تستقصي هذه الدراسة كيفية جعل نوع معين من أنظمة الاحتجاز المباشر للهواء أقل استهلاكًا للطاقة بشكل كبير بإعادة التفكير كل من السائل الذي يلتقط CO2 والطريقة التي يُنظف ويُعاد استخدام هذا السائل. النتيجة نظام قادر على تجديد المذيب المشبع بـ CO2 عند درجات حرارة أدنى وبكميات حرارة أقل بكثير، مما يقرب الاحتجاز المباشر من الهواء خطوة نحو النشر على نطاق واسع وذو أثر مناخي ذي صلة.

لماذا تنظيف سائل الالتقاط صعب للغاية

تعتمد معظم المحطات الحالية التي تزيل CO2 من الغازات على سوائل ترتبط كيميائيًا بالغاز. التحدي هو أنه بمجرد أن تمتلئ هذه السوائل، يجب تسخينها إلى درجات حرارة عالية حتى يطلق الـ CO2، وبعد ذلك يمكن إعادة استخدام السائل. بالنسبة للهواء، حيث يكون CO2 منخفض التركيز للغاية، يصبح فاتورة الطاقة مؤلمة بشكل خاص. كما تحتاج المذيبات التقليدية إلى درجات حرارة تقارب 120–140 °C لتجديدها، وهو ما يجهد المعدات وقد يقصر عمر السائل. سعت الفريق وراء هذا العمل إلى إعادة تصميم خطوة «التنظيف» هذه لتعمل عند درجات حرارة أقل بكثير مع الاستمرار في إطلاق كميات كبيرة من CO2.

طريقة ألطف لتجديد السائل

ركز الباحثون على تقنية تُدعى التجديد بالغشاء والفراغ. في هذه الطريقة، يتدفق المذيب الدافئ بجانب حزمة من الألياف الجوفاء الدقيقة. يمر CO2 وبعض بخار الماء عبر جدران الألياف إلى جانب منخفض الضغط، تاركًا المذيب المنقّى وراءه. من خلال اختيار واختبار ثلاث وحدات غشاء مختلفة بعناية، حدّدوا تكوينًا سمح بإزالة قوية لـ CO2 مع الحد من فقدان الماء: وحدة ألياف جوفاء بطبقة واقية رقيقة جدًا. يوازن هذا التصميم بين سهولة انتقال CO2 ومدى مقاومة الغشاء للفيضانات بالسائل، وهي مشكلة قد تقلل الأداء مع مرور الوقت إذا لم تُعالَج.

تعزيز الأداء بمذيبات ذكية ومحفزات

الابتكار الثاني يكمن في كل من وصفة السائل وجزيئات المساعد الصلب التي يمر بها. بدل الاعتماد على مكوّن واحد، خلط الفريق ملحين قائمين على الأحماض الأمينية، التورينات والساركوسينات، اللذين يجذبان الانتباه لأنهما منخفضا التطاير ومقاومان للتحلل ونسبياً غير ضارين. من خلال ضبط خليطهما، اكتشفوا أن مزيجًا يحتوي على ثلاثة أجزاء من ترباس التورينات البوتاسيوم إلى جزء واحد من ترباس الساركوسينات البوتاسيوم قادر على امتصاص مزيد من CO2 من الهواء ثم التخلي عنه بسهولة أكبر أثناء التجديد. بالإضافة إلى ذلك، أضافوا محفزًا صلبًا مصممًا بدقة مصنوعًا من زركونيا كبريتات مدموغة بالحديد موزعة على سيليكا مسامية. أثناء مرور المذيب الدافئ عبر سرير ثابت من هذه الجسيمات قبل الوصول إلى الغشاء، تسرّع المواقع الكيميائية على الصلب فك ارتباط CO2 عن السائل، مما يزيد تدفق CO2 ويسمح بنزع مزيد من الغاز في نفس الزمن.

إيجاد نقطة التوازن لتوفير الطاقة

عبر عشرات التجارب، عدّل المؤلفون كيفية بناء المحفز وكمّيته. ثبت أن السيليكا دعم أفضل من الألومينا، وأن نسبة واحد إلى واحد من المادة الفعالة إلى جسيمات السيليكا أعطت أفضل أداء: القليل جدًا يعني عدم كفاية المواقع الفعالة، والكثير جدًا يؤدي إلى انسداد المسام. كما وجدوا أن تحميل نحو تسعة بالمئة محفزًا بالوزن في السرير الثابت أعطى تقريبًا الفائدة القصوى قبل أن تتوقف الإضافات اللاحقة عن الفائدة. مع المذيب الهجين والمحفز المحسّنَين معًا داخل نظام الغشاء منخفض الحرارة الذي يعمل عند 90 °C فقط، انخفضت كمية الحرارة المطلوبة لتجديد السائل بشكل كبير مقارنة بمذيب مرجعي شائع، غليسينات البوتاسيوم.

طريق أكثر اقتصادًا لسحب CO2 من الهواء

عند تجميع كل الأجزاء — وحدة الألياف الجوفاء المضبوطة، المذيب الهجين القائم على الأحماض الأمينية، والمحفز الصلب المصمَّم بعناية — خفّض النظام استهلاكه للطاقة الحرارية لخطوة التجديد بنحو ثلثي ما كان عليه. عمليًا، تراجع الطلب على الحرارة إلى نحو 2.6 جيجا جول لكل طن من CO2 لجزء الحرارة الحسّية، وإلى إجمالي مُقدّر حوالي 6.5 جيجا جول لكل طن عند احتساب مساهمات إضافية، وهو رقم قابل للمقارنة مع تصاميم احتجاز الهواء المباشر المعروفة جيدًا. للقراء غير المتخصصين، الرسالة الأساسية أن تحسين المذيب والمساعد الصلب وتخطيط الغشاء معًا يظهر مسارًا معقولًا لجعل الاحتجاز المباشر من الهواء أقل استهلاكًا للطاقة وأكثر توافقًا مع مصادر الحرارة المتجددة منخفضة الحرارة، مما يحسّن آفاقه كأداة مناخية طويلة الأمد.

الاستشهاد: Momeni, A., Anisi, H., McQuillan, R.V. et al. Catalytic hybrid solvent regeneration in membrane vacuum processes for direct air capture. Nat Commun 17, 2247 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69542-6

الكلمات المفتاحية: الاحتجاز المباشر من الهواء, إزالة الكربون, فصل الأغشية, التجديد التحفيزي, المذيبات الهجينة