إزالة أكاسيد النيتروجين من غاز مداخن الهيدروجين بواسطة التحلل الضوئي المباشر

لماذا يهم تنظيف عوادم الهيدروجين

غالبًا ما يُروَّج للهيدروجين كوقود نظيف لأنه لا يطلق ثاني أكسيد الكربون عند احتراقه. ومع ذلك، حتى لهب الهيدروجين في الهواء العادي يمكن أن يولد أكاسيد النيتروجين، وهي مجموعة غازات تهيج الرئتين، وتزيد الضباب الدخاني، وتساهم في الأمطار الحمضية. تفحص هذه الدراسة ما إذا كان يمكن استخدام الضوء فوق البنفسجي (UV)—المعروف من تحذيرات حروق الشمس والمصابيح المطهرة—لإزالة هذه الأكاسيد من عوادم الغلايات المشتعلة بالهيدروجين، مما يجعل تسخين الهيدروجين أنظف فعليًا للمدن والصناعة.

تسخين بالهيدروجين بلا آثار جانبية مخفية

يقدّم الهيدروجين عدة مزايا كوقود مستقبلي: كثافة طاقة عالية، وعدم وجود كربون أو كبريت في عوادمه، وإمكانية إنتاجه بكهرباء متجددة. لتدفئة المباني أو العمليات الصناعية، قد يكون حرق الهيدروجين في غلاية أبسط وأرخص وأكثر كفاءة من استخدام خلايا الوقود. المشكلة أنه عندما يحترق الهيدروجين في الهواء، تؤدي درجات حرارة اللهب المرتفعة للغاية إلى جعل النيتروجين المستقر عادة في الهواء يتفاعل مع الأكسجين، مكوّنًا أكاسيد النيتروجين (المعروفة غالبًا باسم "NOx"). هذه الغازات تضر الصحة والبيئة، لذا فإن أي انتقال واسع النطاق إلى غلايات الهيدروجين يحتاج إلى طريقة موثوقة لإزالة NOx من غازات المداخن.

إلقاء نوع جديد من الضوء على تنظيف العوادم

تقنيات التحكم في NOx الحالية، مثل المحوّلات الحفزية وإعادة تدوير غاز العادم، تعمل جيدًا لكنها تضيف تكلفة وتعقيدًا واستهلاك طاقة. يستكشف الباحثون فكرة مختلفة: تعريض غاز العادم الساخن من موقد الهيدروجين مباشرةً لضوء UV شديد، وهي عملية تسمى التحلل الضوئي (photolysis). تحمل فوتونات UV طاقة كافية لكسر روابط كيميائية معينة في جزيئات الغاز. عندما تمتص أكاسيد النيتروجين هذه الفوتونات، يمكن أن تنقسم إلى شظايا أبسط مثل ذرات نيتروجين وأكسجين منفردة، والتي تتفاعل لاحقًا لتكوّن منتجات أقل ضررًا مثل غاز النيتروجين أو الأكسجين أو حمض النيتريك الذي يمكن احتجازه بالماء أو محاليل قلوية. ركّز الفريق بشكل خاص على أطوال موجية UVC عالية الطاقة، وهي الأكثر فعالية في كسر الروابط القوية في الغازات.

بناء غلاية صغيرة وعمود تنظيف بالأشعة فوق البنفسجية

لاختبار هذا المفهوم في ظروف واقعية، بنى الباحثون نظامًا مختبريًا يحاكي غلاية هيدروجين صغيرة تعمل عند ضغط جوي عادي. تم إنتاج الهيدروجين والأكسجين معًا في إلكترولايزر، لذا تلقى الموقد الخلاطة الصحيحة من الغازات دون الحاجة إلى هواء خارجي. ومع احتراق لهب الهيدروجين–الأكسجين في الهواء، تكوّن عادم ساخن يحتوي على بخار ماء وأكسجين ونيتروجين متبقٍ وكميات صغيرة من أول أكسيد النيتروجين (NO) وثاني أكسيد النيتروجين (NO₂). تدفق هذا العادم صعودًا عبر عمود شفاف بطول مترين يضم مصباح زئبقي فوق بنفسجي بقوة 160 واط. قيّست حسّاسات موضوعة على ارتفاعات مختلفة كم بقي من NO وNO₂ وإجمالي NOx في الغاز مع تشغيل المصباح أو إيقافه، وبظروف ضغط وتدفق للموقد مختلفة.

ما الذي حدث لغازات العادم

أدى تشغيل ضوء UV باستمرار إلى انخفاض مستويات أول أكسيد النيتروجين، وفي بعض الحالات إلى الصفر ضمن نطاق القياس. في الوقت ذاته، زادت كمية ثاني أكسيد النيتروجين، إذ حوّل بعض NO بدلًا من أن يدمر تمامًا. ما إذا كانت هذه المقايضة تؤدي إلى عادم أنظف إجمالًا اعتمد بشدة على مقدار NOx المبدئي وسرعة مرور الغاز أمام المصباح. عند معدل تدفق العادم الأدنى، حيث كانت مستويات NOx الابتدائية أعلى، حقق النظام انخفاضًا صافيًا حقيقيًا: عند نقطة تشغيل واحدة، انخفض إجمالي NOx بنحو 12 بالمئة. ومع ذلك، عند تدفّق أعلى أو مستويات NOx ابتدائية منخفضة جدًا، زاد إجمالي NOx بالفعل، مما يشير إلى أن UV أعاد بشكل أساسي توزيع أكاسيد النيتروجين بين الأشكال بدلاً من إزالتها. كما سخّن المصباح الغازات قليلًا، لكن هذه الزيادة في درجة الحرارة كانت ضئيلة جدًا بحيث لا تفسر التغيرات الكيميائية بالحرارة وحدها.

ما معنى ذلك لتسخين الهيدروجين الأنظف

تُظهر الدراسة أن الضوء فوق البنفسجي القوي يمكن أن يغيّر مزيج أكاسيد النيتروجين في عوادم غلايات الهيدروجين وتحت ظروف مناسبة يقلل إجمالي الكمية بشكل متواضع. أفضل أداء لوحظ هنا—حوالي 10 بالمئة إزالة—تحقّق عند مستويات NOx المبدئية المرتفعة نسبيًا ومدة كافية لبقاء العادم في الضوء. وعلى الرغم من أن هذا أقل فعالية من بعض طرق البلازما المتقدمة، فإن نهج UV يستهلك طاقة مُزوَّدة أقل بكثير وقد يكون أسهل للدمج في الغلايات الحقيقية. للعموم، الرسالة الأساسية هي أن تدفئة الهيدروجين ليست خالية من التلوث تلقائيًا، لكن أدوات جديدة مثل التحلل الضوئي بالأشعة فوق البنفسجية قد تساعد في ضبط انبعاثاته المخفية إذا صمِّمت وُحسِّنت بعناية.

الاستشهاد: Kreft, D., Szczodrowski, K. & Marszałkowski, K. Nitrogen oxides removal from hydrogen flue gas by direct photolysis. Sci Rep 16, 13238 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39200-4

الكلمات المفتاحية: غلايات الهيدروجين, أكاسيد النيتروجين, المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية, تنقية غاز المداخن, مكافحة تلوث الهواء