שיחזור ממס היברידי קטליטי בתהליכי קרום־ואקום ללכידת פחמן ישירה מהאוויר

לכידת פחמן מהאוויר היומיומי

שאיבת דו-תחמוצת הפחמן ישירות מהאוויר היא אחת מהכלים שהמדענים מקווים להשתמש בהם כדי להאט את שינויי האקלים, אך כיום היא צורכת אנרגיה רבה. המחקר חוקר כיצד להקטין משמעותית את הצריכה האנרגטית של סוג מסוים של מערכת לכידה ישירה על־ידי שכתוב מחדש הן של הנוזל הקולט את ה‑CO2 והן של אופן ניקויו ושימושו החוזר. התוצאה היא מערכת שיכולה לשחזר את הממס העמוס ב‑CO2 בטמפרטורות נמוכות יותר ובדרישה לחום נמוכה בהרבה, מה שמקרב את לכידת האוויר להטמעה בקנה מידה גדול ורלוונטית לאקלים.

מדוע ניקוי הנוזל כל כך קשה

מרבית המתקנים הקיימים המסלקים CO2 מגזים מסתמכים על נוזלים שקושרים את הגז כימית. האתגר הוא שברגע שהנוזלים הללו הופכים לרוויים, יש לחממם אותם לטמפרטורות גבוהות כדי שה‑CO2 ישתחרר, ואז אפשר להשתמש בהם שוב. עבור אוויר, שבו ריכוז ה‑CO2 נמוך מאוד, חשבון האנרגיה הזה הופך לכבד במיוחד. ממסים מסורתיים גם דורשים טמפרטורות של כ‑120–140 °C לרענון, מה שמעמיס על הציוד ועלול לקצר את חיי הנוזל. הצוות שמאחורי העבודה ביקש לתכנן מחדש את שלב ה"ניקוי" כך שיוכל לפעול בטמפרטורות נמוכות בהרבה ועדיין לשחרר כמויות גדולות של CO2.

דרך עדינה יותר לשחזר את הנוזל

החוקרים התמקדו בטכנולוגיה שנקראת שיחזור ממברנה־ואקום. כאן נוזל חמים זורם על פני חבילת סיבים חלולים זעירים. CO2 וכמות מסוימת של אדי מים חודרים דרך דפנות הסיבים לצד בעל לחץ נמוך, ומשאירים את הממס הנקי מאחור. באמצעות בחירה ובדיקה מדוקדקת של שלושה מודולי ממברנה שונים, הם זיהו תצורה שאיפשרה הסרה חזקה של CO2 תוך הפחתת אובדן המים: מודול סיבים חלולים עם ציפוי מגן דק מאוד. העיצוב הזה מאזן בין קלות תנועת ה‑CO2 לבין עמידות הממברנה להצפה בנוזל, בעיה שאחרת עלולה להוריד את הביצועים לאורך זמן.

שיפור ביצועים עם ממסים וחומרים קטליטיים חכמים

החידוש השני טמון גם בהרכב הנוזל וגם בחלקיקי העזר המוצקים שהוא זורם דרכם. במקום להסתמך על רכיב יחיד, הצוות ערבב שני מלחים מבוססי חומצות אמינו, טאורינט וסרקוסינט, שנראים אטרקטיביים כי הם בעלי נדיפות נמוכה, עמידים בפני שקיעה ויחסית בלתי מזיקים. תוך כיול התערובת הם גילו שתערובת של שלושה חלקים טאורינט אשלגן לחלק אחד סרקוסינט אשלגן יכולה לקלוט יותר CO2 מהאוויר ואז לשחררו ביתר קלות בשיחזור. בנוסף לכך הוסיפו קטליזטור מוצק מהונדס דקיק המורכב מזירקוניה מוספת גופרית ומיוצבת על סיליקה נקבובית. כאשר הממס החם עובר דרך מיטה קבועה של חלקיקים אלה לפני ההגעה לממברנה, אתרי הכימיה על המוצק מזרזים את שחרור ה‑CO2 מהנוזל, מגבירים את זרימת ה‑CO2 ומאפשרים להוציא יותר גז באותו הזמן.

מציאת נקודת האיזון לחיסכון באנרגיה

באמצעות עשרות ניסויים, המחברים כיוונו את אופן בניית הקטליזטור ואת כמותו. סיליקה הוכחה כתמיכה טובה יותר מאלומינה, ויחס של חומר פעיל לחלקיקי סיליקה של 1:1 נתן את הביצועים הטובים ביותר: מעט מדי ולא יהיו מספיק אתרים פעילים, יותר מדי והנקבים ייסכרו. הם גם מצאו שעומס של כ‑9% קטליזטור לפי משקל במיטה הקבועה סיפק כמעט את התועלת המקסימלית לפני שתוספות נוספות הפסיקו להועיל משמעותית. עם הממס ההיברידי והמייצב המוקטב יחד בתוך מערכת הממברנה בטמפרטורה נמוכה הפועלת ב‑90 °C בלבד, כמות החום הנדרשת לשחזור הנוזל נפלה בצורה דרמטית בהשוואה לממס התקני נפוץ, גליצינאט האשלגן.

נתיב חסכוני יותר למשיכת CO2 מהאוויר

כאשר כל החלקים הושלמו — מודול הסיבים החלולים המכוון, הממס ההיברידי מבוסס חומצות האמינו, והקטליזטור המהונדס בקפידה — המערכת קיצצה את צריכת האנרגיה התרמית לשלב השחזור בכמעט שני שלישים. במונחים מעשיים, הביקוש לחום ירד לכ‑2.6 ג׳יגה-ג׳אול לטון CO2 עבור חלק החום הסנסיבי, ולהערכה כוללת של כ‑6.5 ג׳יגה-ג׳אול לטון כאשר נלקחות בחשבון תרומות נוספות, בדומה לעיצובים ידועים ללכידה ישירה מהאוויר. עבור קוראים לא־מומחים, המסר המרכזי הוא שעל ידי אופטימיזציה משותפת של הנוזל, העזר המוצק ומבנה הממברנה, המחברים מראים נתיב מהימן להפחתת עוצמת האנרגיה של לכידת אוויר ישירה ולהתאמתה למקורות חום מתחדשים בטמפרטורות נמוכות, מה שמשפר את סיכוייה ככלי ארוך טווח למאבק בשינויי האקלים.

ציטוט: Momeni, A., Anisi, H., McQuillan, R.V. et al. Catalytic hybrid solvent regeneration in membrane vacuum processes for direct air capture. Nat Commun 17, 2247 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69542-6

מילות מפתח: לכידה ישירה מהאוויר, הסרת פחמן, הפרדת ממברנה, שיחזור קטליטי, ממסים היברידיים