تعزيز احتجاز CO2 في عملية ما بعد الاحتراق باستخدام الفحم المُفَعَّل المعدّل بالأحماض الأمينية

تنظيف الهواء بعد احتراق الوقود

ثاني أكسيد الكربون المنبعث من محطات الطاقة يعد عاملًا رئيسيًا في الاحتباس الحراري، ومع ذلك لا تزال معظم كهربائنا تأتي من حرق الوقود الأحفوري. توجد طريقة عملية لتقليل هذه الانبعاثات وهي احتجاز CO2 من غازات العادم الساخنة قبل أن تتسرب إلى السماء. تستكشف هذه الدراسة كيفية تحسين مادة شائعة ورخيصة نسبيًا — الفحم المُفَعَّل — لتثبيت CO2 بشكل أفضل عن طريق طلاء سطحها بلطف ببنى بروتينية بسيطة تُسمى الأحماض الأمينية.

تحويل الفحم اليومي إلى إسفنج أفضل

يُستخدم الفحم المُفَعَّل بالفعل في مرشحات المياه ومنقّيات الهواء لأنه مليء بالمسام الدقيقة التي تعمل كإسفنج للجزيئات. لاحتجاز ما بعد الاحتراق في محطات الطاقة، يجب أن تُبقي المادة على كثير من CO2 حتى عندما يكون بكميات منخفضة وعند درجات حرارة مرتفعة نسبيًا، مع البقاء مستقرة وسهلة إعادة الاستخدام. بدأ الباحثون بفحومات مُفَعَّلة تجارية وقارنوا قدرتها الطبيعية على امتصاص CO2 — ونعني هنا بـ "الامتصاص" التصاق الجزيئات بالسطح وليس تفاعلًا كيميائيًا. أكدوا أنه في درجة حرارة الغرفة يمكن للمادة أن تحتفظ بعدة مليمولات من CO2 لكل غرام، لكن هذه السعة تنخفض بشدة مع ارتفاع درجة حرارة الغاز، وهو توقيع نموذجي للالتصاق الفيزيائي بدلًا من الارتباط الكيميائي القوي.

إضافة نقاط تماس لطيفة لثاني أكسيد الكربون

لزيادة الأداء، عدّل الفريق سطح الفحم باستخدام ثلاثة أحماض أمينية: الغليسين، والسيرين، واللايسين. هذه جزيئات عضوية صغيرة غنية بالنيتروجين، وهو نوع من الذرات معروف بتفاعله الأقوى مع CO2. غُمر الفحم المُعَدّ في محاليل تحوي كل حمض أميني، أحيانًا مع أملاح قلوية بسيطة، ثم غُسل وجُفف. عندما فُحصت العينات المعالجة، التقطت تلك المغطاة بالغليسين والسيرين عادة المزيد من CO2 مقارنة بالمادة الأصلية، بينما أدى اللايسين غالبًا إلى تدهور الأداء، خاصة عند الجمع مع أملاح مضافة. برز الغليسين: رغم كونه الأصغر بين الثلاثة، زاد امتصاص CO2 بما يصل إلى حوالي 25 بالمئة دون التضحية بقدرة المادة على امتصاص النيتروجين، الغاز الخلفي الرئيسي في تيارات غازات المداخن.

إيجاد نقطة التوازن في شروط المعالجة

لأن التحميل الزائد للمعدلات على الفحم قد يسد مسامه، وعدل الباحثون بعناية درجة حرارة المعالجة والوقت وتركيز الغليسين، وحللوا النتائج باستخدام نهج تصميم إحصائي. وجدوا أن وصفة متوسطة — درجة حرارة معتدلة، عدة ساعات معالجة، ومستوى غليسين متوسط — أعطت أفضل احتجاز لـ CO2. أظهرت الميكروسكوبية وقياسات امتصاص الغاز أن الفحم المعدل احتفظ تقريبًا بنفس مساحة السطح وتوزيع أحجام المسام كما في المادة الأصلية، ما يشير إلى أن الغليسين زين الجدران الداخلية غالبًا بدلاً من سد الممرات. أكدت اختبارات الأشعة تحت الحمراء والأشعة السينية ظهور مجموعات جديدة تحمل النيتروجين والأكسجين على السطح، بينما ظل الإطار الكربوني الأساسي دون تغير كبير.

كيف يتصرف المادَّة المحسنة

من خلال قياس كيفية التصاق CO2 والنيتروجين بالمادة عند عدة درجات حرارة، قدر الفريق الحرارة المنبعثة عند امتصاص كل غاز. وقعت هذه القيم ضمن النطاق النموذجي للتفاعلات الفيزيائية، وليست تفاعلات كيميائية دائمة، لكنها كانت أقوى بشكل ملحوظ للفحم المعالج بالغليسين مقارنة بالعينة الخام. هذا يعني أن CO2 يُحتجز بشدّة أكبر، مما يفسر السعة الأعلى، ومع ذلك يجب أن يظل من الممكن تحرير الغاز مجددًا بتسخين بسيط أو بتغيّر في الضغط. أظهر الفحم المعدل أيضًا استقرارًا حراريًا جيدًا حتى درجات حرارة أعلى بكثير من تلك الموجودة عادة في أنظمة احتجاز ما بعد الاحتراق، مما يشير إلى أنه قد يتحمل دورات احتجاز–تحرير متعددة.

ما الذي قد يعنيه هذا لانبعاثات محطات الطاقة

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أن تزيين الفحم المُفَعَّل بخفة بحمض أميني بسيط يمكن أن يحول مادة مرشح شائعة إلى "مغناطيس" أكثر انتقائية وقوة لالتقاط CO2. يقدم الغليسين أفضل توازن: فحجمه الصغير يسمح له بتبطين جدران المسام بنقاط تماس إضافية دون سدها، فإذا أمكن بذلك اصطياد المزيد من جزيئات CO2 وإطلاقها مرارًا وتكرارًا. وبينما تظل المادة تعمل بشكل أفضل عند درجات حرارة أقل، فإن استراتيجيات تبادل حراري ذكية في المنشآت الحقيقية قد تساعد على تبريد غازات العادم بما يكفي للاستفادة من هذا الإسفنج المحسّن. مجتمعة، تشير هذه النتائج إلى مواد ممتزة رخيصة وقابلة للضبط يمكن تركيبها على مرافق قائمة للمساعدة في خفض انبعاثات الاحتباس الحراري دون إعادة تصميم النظام الطاقي بأكمله.

الاستشهاد: Houshmand, D., Rashidi, F., Amjad-Iranagh, S. et al. Enhancement of CO₂ capture in post combustion process using actived carbon modified by amino acids. Sci Rep 16, 10569 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44400-z

الكلمات المفتاحية: احتجاز الكربون, الفحم المُفَعَّل, الأحماض الأمينية, ما بعد الاحتراق, امتصاص CO2