تحضير وتوصيف فحوم منشَّطة كيميائياً منخفضة التكلفة باستخدام H3PO4 وZnCl2 وKOH لتطبيقات امتصاص CO2

تحويل خشب النفايات إلى عناصر مساعدة للمناخ

ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون (CO2) هو عامل أساسي في الاحترار العالمي، ويأتي كثير من هذا الغاز من محطات الطاقة والمصانع التي تحرق الوقود الأحفوري. إن التقاط CO2 قبل أن يصل إلى الغلاف الجوي هو وسيلة واعدة لإبطاء تغير المناخ، لكن الطرق الحالية غالباً ما تستخدم سوائل مكلفة أو قابلة للتآكل. تستكشف هذه الدراسة فكرة أبسط: تحويل خشب الحديد الفارسي منخفض القيمة، وهو شجرة شائعة في شمال إيران، إلى مواد تشبه الفحم مسامية للغاية يمكنها احتجاز CO2 بكفاءة وبتكلفة منخفضة.

من نتاج الغابة إلى فحم مُهندَس

بدأ الباحثون بخشب Parrotia persica، الذي ينمو بكثرة في غابات هيركانيا ويملك قيمة تجارية منخفضة. بعد تنظيف وطحن الخشب، سخنوه في غياب الأكسجين لتحويله إلى مركب غني بالكربون، ثم عالَجوه بثلاثة مواد كيميائية مختلفة: حمض قوي (حمض الفسفوريك)، وملح زنك (كلوريد الزنك)، وقاعدة قوية (هيدروكسيد البوتاسيوم). يتفاعل كل من هذه المواد الكيميائية بشكل مختلف مع البوليمرات الطبيعية للخشب أثناء التسخين، محفوراً شبكة من المسامات الدقيقة ومعدِّلاً مساحة السطح المتاحة لتعلق الغازات. من خلال تغيير نسبة المادة الكيميائية ودرجة حرارة التسخين، أنتجوا مجموعة من الفحوم المنشَّطة ذات هياكل مسامية مميزة.

تصميم تجاويف دقيقة لاحتجاز CO2

لماذا تهم المسامات؟ يعتمد التقاط الغاز على المواد الصلبة لأن جزيئات الغاز تلتصق بالأسطح عبر قوى كهربائية ضعيفة. كلما زادت مساحة السطح الداخلية وكلما كانت التجاويف ذات أحجام مناسبة، ازدادت كمية الجزيئات التي يمكن للمادة أن تحتفظ بها. قاس الفريق حجم المسام ومساحة السطح باستخدام غاز النيتروجين والمجهر الإلكتروني. أعطى كلوريد الزنك أعلى مساحة سطحية — نحو 1925 متر مربع لكل غرام، أي ما يعادل نشر ملعب تنس على قطعة سكر. من ناحية أخرى، أنتج حمض الفسفوريك فحومات ذات حجم مسام كبير وخلط من مسام فائقة الصغر وأخرى أكبر قليلاً، بالإضافة إلى العديد من مجموعات السطح المحتوية على الأكسجين. تقوّي هذه الميزات الكيميائية التفاعلات مع CO2، الذي يمتلك قطبية طفيفة وينجذب إلى المواقع القطبية أو القاعدية على سطح الكربون.

ما مدى فاعلية هذه الماصات في احتجاز CO2؟

اختبر الباحثون امتصاص CO2 عند ضغوط تصل إلى 14 بار وبحرارة قريبة من درجة الغرفة، وهي ظروف مشابهة لتيارات عوادم المصانع. أظهرت جميع العينات أعلى امتصاص لـCO2 عند درجات حرارة أقل، وهو ما يتوافق مع عملية «التصاق» فيزيائية: فمع ازدياد حرارة الجزيئات تتحرك أسرع ويقل احتمال بقائها ملتصقة. من بين المواد، حقق الفحم المنشط بحمض الفسفوريك وبأعلى نسبة معالجة (الموسوم ACH3) أفضل سعة لامتصاص CO2 عند 1 بار و25°C، متفوقاً قليلاً على عينة كلوريد الزنك رغم امتلاكها مساحة سطحية أقل قليلاً. جاء هذا التفوق من حجم المسام الأكبر وكيمياء السطح الأغنى. أكدت تحليلات الحرارة المنبعثة أثناء الامتزاز أن CO2 كان محتجزاً أساساً بواسطة قوى فيزيائية لا بتكوين روابط كيميائية جديدة، وهو أمر مهم لأنه يعني أن المادة يمكن تجديدها بتسخين معتدل وإعادة استخدامها عدة مرات.

فصل CO2 عن مكونات الهواء العادية

ليس مقدار الامتصاص وحده المهم عند التقاط CO2 من غاز المداخن، بل مدى تفضيل المادة لـCO2 مقارنة بالغازات الأخرى مثل النيتروجين (N2) الذي يشكل معظم الهواء. من خلال دمج قياسات سلوك كل غاز على الفحوم مع نظرية تنبؤية راسخة، قدَّر الفريق مدى انتقائية المواد لامتصاص CO2 من خليط CO2/N2. أظهرت فحومات حمض الفسفوريك وكلوريد الزنك انتقائية قوية، مفضلةً CO2 على N2 بحوالي عامل 20 عند الضغط الجوي. كانت عينة المعالجة بهيدروكسيد البوتاسيوم أقل انتقائية، ربما لأن شبكتها الممسامية كانت أكثر خشونة ومسدة جزئياً، مما وفر عددًا أقل من المواقع ذات الحجم المثالي لاحتضان CO2. والأهم أن جميع أفضل الفحومات حافظت على أداء شبه ثابت عبر عدة دورات امتصاص–تحرر، مما يوحي بأنها قادرة على تحمل الاستخدام المتكرر في أنظمة عملية.

ماذا يعني هذا لمستقبل التقاط CO2

لغير المتخصص، الخلاصة واضحة: يمكن ترقية منتج ثانوي منخفض القيمة من الغابة إلى كربون إسفنجي مُصمَّم جيداً قادر على التقاط CO2 بكفاءة، مفضلاً إياه بقوة على النيتروجين وقابل لإعادة الاستخدام مرات عديدة. من بين الأساليب المختبرة، أنتجت معالجات حمض الفسفوريك وملح الزنك لخشب الحديد الفارسي مواد واعدة بشكل خاص، موازنةً بين مساحة سطح عالية، أحجام مسام مناسبة، وكيمياء سطح مواتية. وبينما تحتاج تقديرات أداء الخلطات الغازية في الدراسة إلى تحقق بعمليات تدفق على نطاق كامل، تُظهِر النتائج أن «الفحم» المهندَس من الكتلة الحيوية المحلية يمكن أن يصبح أداة عملية ومنخفضة التكلفة لتخفيض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري الصناعية.

الاستشهاد: Bandani, M., Najafi, M., Khalili, S. et al. Preparation and characterization of low-cost chemically activated carbons using H₃PO₄, ZnCl₂ and KOH for CO₂ adsorption applications. Sci Rep 16, 6288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35319-6

الكلمات المفتاحية: التقاط الكربون, الفحم المنشط, الكتلة الحيوية, امتصاص CO2, مواد مسامية