تطور بنية المسام في الفحم أثناء المعالجة الحرارية تحت الأرض: تحقيق تجريبي

تحويل الفحم من مشكلة مناخية إلى أداة مناخية

يُنظر إلى الفحم عادةً باعتباره عاملًا رئيسيًا في تغيّر المناخ، لكن هذا البحث يستكشف طريقة لتحويل طبقات الفحم العميقة غير المستخرجة إلى مصدر طاقة أنظف وموطن طويل الأمد لغاز ثاني أكسيد الكربون (CO2). عن طريق تسخين الفحم بلطف تحت الأرض بدلاً من حرقه على السطح، يمكننا إنتاج وقود مفيد مع ترك مادة غنية بالكربون تشبه الإسفنجة يمكنها حبس CO2 بأمان. تطرح هذه الدراسة سؤالاً بسيطًا لكنه حاسمًا: أثناء تسخين الفحم في موضعه، كيف تتغير بنية المسام الداخلية، وما مدى قدرته على تخزين CO2 لاحقًا؟

تسخين الفحم دون انتشاله

النهج المسمى المعالجة الحرارية للفحم تحت الأرض يقوم بتسخين طبقات الفحم ببطء في بيئة خالية من الأكسجين عند درجات حرارة تصل إلى 600 °م. بدلًا من استخراج الفحم، يقوم المهندسون بضخ الحرارة عبر آبار، وجمع الغازات والسوائل التي تُطلق، ثم إعادة استخدام نفس الآبار لحقن CO2 مرة أخرى في الطبقة المعالجة. الصلب المتبقي، المعروف بالفحم الحراري المتحلّل (pyrolytic char)، يتصرف كإسفنجة صلبة قائمة على الكربون مليئة بمسام بأحجام مختلفة. تلك المسام تحدد مقدار الوقود الذي يمكن إنتاجه أثناء التسخين ومقدار CO2 الذي يمكن للصخر احتواءه لاحقًا، لذلك فإن فهم تطور المسامات هو أمر أساسي لتصميم عملية منخفضة الكربون وآمنة.

استكشاف المتاهة المخفية داخل الفحم

للنظر داخل شبكة المسام الخفية هذه، أخذ المؤلفون فحمًا منخفض الدرجة من منغوليا الداخلية وقاموا بتسخين عينات ببطء شديد إلى ثماني درجات مستهدفة بين 30 °م و600 °م تحت غاز الهيليوم. ثم استخدموا ثلاث تقنيات مخبرية تكميلية: امتصاص CO2 لاستكشاف أصغر المسام (أقل من 2 نانومتر)، وامتصاص النيتروجين لتوصيف المسام متوسطة الحجم، ودخول الزئبق لرسم خرائط المسام الأكبر والتشققات. سمحت هذه الأساليب مجتمعة بتتبع التغيرات في الحجم الكلي للمسامات، ومساحة السطح الداخلية، وتعقيد شبكة المسام بينما يمر الفحم بمراحل تسخين مختلفة.

من تقلص المساحات إلى نمو الإسفنجة

تُظهر النتائج أن الفحم لا «ينفتح» ببساطة مع التسخين؛ بل تمر مساحته الداخلية بمراحل مميزة. في البداية، مع ارتفاع الحرارة من درجة الغرفة إلى حوالي 350 °م، ينخفض الحجم الإجمالي للمسامات فعليًا رغم أن مساحة السطح الداخلية ترتفع قليلاً. تتسرب السوائل المتشكلة أثناء التسخين المبكر إلى المسام الكبيرة وتسدها جزئيًا، بينما يظهر عدد متواضع من المسام الدقيقة الجديدة. بين نحو 350 °م و450 °م، تنعكس هذه الظاهرة: تخرج الغازات والسوائل المتحللة، مكوِّنة فراغات جديدة وتوسع المسام الكبيرة والصغيرة على حد سواء. أعلى من نحو 450 °م، وخاصة عند 600 °م، يطوّر الفحم المزيد من أصغر المسام إلى جانب عودة المسام الكبيرة، بحيث يزداد كل من الحجم الكلي ومساحة السطح بشكل ملحوظ وتصبح شبكة المسام أكثر اتصالًا.

ثلاث مراحل رئيسية في تحويل الفحم

بربط هذه القياسات بمؤشر معياري لنضج الفحم، حدّد الباحثون ثلاث مراحل في عملية التسخين تحت الأرض. في المرحلة الأولى (نضج منخفض)، يُفقد الفراغ لأن السوائل تملأ المسام متوسطة وكبيرة الحجم. في المرحلة الثانية (نضج متوسط)، يؤدي التحلل السريع للمادة العضوية وإطلاق الغازات إلى نتوء قنوات جديدة، مما يزيد بشكل حاد من حجم المسام والاتصال بينها. في المرحلة النهائية، مرحلة توليد الغاز عند نضج أعلى، يستمر إطلاق الغاز وإعادة ترتيب البنية في توليد كثافة عالية من المسام الدقيقة جنبًا إلى جنب مع توسع المسام الكبيرة. توفر المسام الدقيقة معظم مساحة السطح الداخلية التي يمكن لجزيئات CO2 الالتصاق بها، بينما تعمل المسام الأكبر كطرق سريعة تساعد CO2 على التحرك داخل الصخر وعبره.

ما معنى ذلك لتخزين الكربون تحت الأرض

بعبارات بسيطة، يحول التسخين الدقيق تحت الأرض قطعةً مدمجة نسبيًا من الفحم إلى إسفنجة أكثر تعقيدًا متعددة المستويات. تبيّن الدراسة أن التشغيل عند درجات معالجة أعلى ضمن النطاق المختبر يزيد بشكل كبير من عدد الزوايا المجهرية التي يمكن أن يُحتجز فيها CO2 ويحسّن المسارات التي تسمح بانتشار الغاز في الطبقة. قد تسمح هذه التركيبة لأن تقدم المعالجة الحرارية للفحم تحت الأرض وقودًا مفيدًا مع ترك مصفاة تحت السطح قادرة على تخزين CO2 على المدى الطويل، مما يساعد على نقل الفحم من عبء مناخي محض إلى جزء من استراتيجية أوسع لإدارة الكربون.

الاستشهاد: Yang, S., Li, S., Hou, W. et al. Evolution of pore structure in coal during underground thermal treatment: an experimental investigation. Sci Rep 16, 7424 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38256-6

الكلمات المفتاحية: المعالجة الحرارية للفحم تحت الأرض, تخزين CO2, مسامات الفحم, تكنولوجيا الفحم النظيفة, احتجاز الكربون