تحليل البنية المسامية للفحوم المنشّطة المشتقة من قشور جوز الهند المحضرة تحت ظروف مختلفة

تحويل قشور جوز الهند إلى مساعدات مناخية

بينما يبحث العالم عن طرق للتباطؤ في تغير المناخ، يَعد سحب ثاني أكسيد الكربون (CO₂) مباشرة من الهواء أو من مخارج المصانع أسلوبًا واعدًا. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن تحويل شيء اعتيادي مثل قشور جوز الهند المهملة إلى «إسفنجات» فعّالة للغاية لاحتجاز CO₂، وكيف أن ضبط عملية إنتاجها بدقة يحدث فرقًا كبيرًا في أدائها.

لماذا تهم المسام في حجز الغاز

تعمل المواد الصلبة التي تلتقط CO₂ بطريقة تشبه الإسفنج فائق النعومة: فكلما زاد عدد الثقوب الصغيرة أو المسام، زادت كمية الغاز التي يمكنها استيعابها. يُستخدم الفحم المنشط على نطاق واسع لأنه يمتلك مساحة سطح داخلية هائلة مخفية داخل هذه المسام. ركز المؤلفون على تحسين مثل هذه الفحوم لالتقاط CO₂ من خلال إضافة ذرات نيتروجين إلى سطحها. تميل مجموعات النيتروجين إلى جذب الغازات الحمضية مثل CO₂، لذا فإن الجمع بين الكيمياء المناسبة وشبكة مسامية مُحسّنة يمكن أن يعزز الأداء بشكل كبير.

من قشر جوز الهند إلى مادة متقدمة

النقطة الانطلاق في هذا العمل هي قشر جوز الهند، وهو نفاية زراعية رخيصة ومتوافرة بكثرة. نُظِّفت القشور وطُحنت ثم حُرقت أولاً في غاز النيتروجين لتشكيل مادة كربونية أساسية. تلا ذلك خطوة «الأمموأكسدة» حيث عُولج الكربون بمزيج من الأمونيا والهواء لتتشكل مجموعات حاملة للنيتروجين على سطحه. أخيرًا، نُشِّطت المادة بهيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) عند درجات حرارة عالية، ما ينقش شبكة متاهية من المسام. من خلال تغيير درجة حرارة التنشيط (600، 650، أو 700 °C) والنسبة الكتلية بين الكربون وKOH، ابتكر الباحثون مجموعة من الفحوم ذات هياكل مسامية وخصائص سطحية مختلفة بدقة.

النظر داخل الشبكة المسامية غير المرئية

وبما أن هذه المسام صغيرة للغاية بحيث لا تُرى مباشرة، استخدم الفريق قياسات امتزاز الغازات: سجّلوا مقدار غاز النيتروجين الذي تستطيع الفحوم حفظه عند درجات حرارة منخفضة وضغوط مختلفة. ومن هذه المنحنيات، طبّقوا ثلاث أدوات تحليل متقدمة تتجاوز الطرق القديمة المُبسطة. الأولى، المسماة LBET، تفسر كيفية تراكب طبقات وتكتلات جزيئات الغاز داخل المسام وتُعطي مؤشرًا على مدى تجانس أو تغايرية السطح. الأداتان الأخريان، QSDFT وNLDFT، تستخدمان فيزياء إحصائية حديثة لإعادة بناء توزيع أحجام المسام. تُصمم QSDFT للتعامل بشكل أفضل مع الأسطح الخشنة والمتغيرة كيميائيًا النموذجية للفحوم الحقيقية، ما يتجنب التحريفات التي قد تضلّل المصممين.

البحث عن نقطة التوازن في ظروف التحضير

بالمقارنة بين جميع العينات، أظهرت الدراسة أن كلًا من درجة حرارة التنشيط وكمية KOH شكّلا الشبكة المسامية النهائية بشكل قوي. الفحوم المُنتجة في درجات حرارة أقل أو بكميةٍ قليلةٍ من المادة المُنشِّطة امتلكت مسامًا دقيقة أقل وأقل قابلية للوصول، مما قيّد كمية الغاز التي يمكنها امتصاصها. مع زيادة درجة المعالجة ونسبة KOH ارتفعت مساحة السطح الداخلية وحجم المسام الدقيقة بصورة حادة. كانت المواد المتميزة هي تلك المنشَّطة عند 700 °C وبنسب متوسطة من KOH (الموسومة NC-700-3 وNC-700-4). كانت هذه تتميز بمساحات سطح داخلية مرتفعة للغاية، وحجوم كبيرة من أصغر المسام الأكثر فاعلية لالتقاط CO₂، والأهم من ذلك—أسطح متجانسة جدًا، مما يعني أن جزيئات الغاز تواجه ظروفًا متشابهة أينما استقرت.

ماذا يعني هذا لمستقبل احتجاز CO₂

لغير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن ليس كل «الفحوم المنشطة» متساوية. من خلال ضبط طريقة معالجة قشور جوز الهند—وخاصةً درجة حرارة التنشيط والنسبة الكيميائية—وباستخدام أدوات تحليلية أكثر واقعية، حدَّد المؤلفون ظروفًا تخلق شبكة مسامية مُحكَمة مثالية لاحتجاز CO₂. تجمع أفضل موادهم بين كثافة عالية من المسام الصغيرة وأسقف سطحية متسقة السلوك، مما يجعلها مرشحة قوية لمرشحات بيولوجية منخفضة التكلفة في أنظمة احتجاز الكربون المستقبلية.

الاستشهاد: Kwiatkowski, M., Hu, X. Porous structure analysis of coconut shell–derived activated carbons prepared under different conditions. Sci Rep 16, 10220 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39432-4

الكلمات المفتاحية: احتجاز CO2, فحم منشط, قشر جوز الهند, مواد مسامية, تطعيم بالنيتروجين