הכנה ואפיון של פחמים מופעלים כימית בעלות נמוכה באמצעות H3PO4, ZnCl2 ו-KOH ליישומי הספחת CO2

הפיכת עץ פסולת לעוזרי אקלים

עלייה ברמות פחמן הדו־חמצני (CO2) היא גורם מרכזי להתחממות הגלובלית, וחלק גדול מהגז הזה נפלט מתחנות כוח ומפעלים שרופים דלקים מאובנים. לכידה של CO2 לפני שהוא מגיע לאטמוספירה היא דרך מבטיחה להאט את שינוי האקלים, אך השיטות הנוכחיות לעתים משתמשות בנוזלים יקרים או מאכלים. המחקר הזה בוחן רעיון פשוט יותר: להפוך עץ ברזל פרסי (Persian ironwood) בעל ערך נמוך, נפוץ בצפון איראן, לחומרים נקבוביים בדומה לפחם שיכולים ללכוד CO2 ביעילות ובעלות נמוכה.

מוצר תוצרת יער לפחם מהונדס

החוקרים התחילו מעץ Parrotia persica, שגדל בשפע ביערות ההירקניים אך בעל ערך מסחרי נמוך. לאחר ניקוי וטחינת העץ חיממו אותו בחוסר חמצן כדי להפוך אותו למוצק עשיר בפחמן, ואז טיפלו בו בשלוש חומרים כימיים שונים: חומצה חזקה (חומצה זרחית), מלח אבץ (כלומר כלוריד אבץ) ובסיס חזק (ידרוקסיד אשלגן). כל חומר מגיב באופן שונה עם הפולימרים הטבעיים של העץ בזמן החימום, מבעיר רשת של נקבוביות זעירות ומתאים את שטח הפנים הזמין לאחיזת גזים. על ידי שינוי כמות הכימיקל וטמפרטורת החימום יצרו משפחה של פחמים מופעלים עם מבני נקבוביות מובחנים.

עיצוב חללים זעירים עבור CO2

מדוע הנקבוביות חשובות? לכידה של גזים על חומרים מוצקים פועלת כי מולקולות הגז נדבקות לפני השטח בעזרת כוחות חשמליים חלשים. ככל שיש שטח פנים פנימי גדול יותר וככל שהחללים מתאימים יותר בגודלם, כך ניתן להכיל יותר מולקולות. הצוות מדד את גודל הנקבוביות ואת שטח הפנים באמצעות גז חנקן ומיקרוסקופיה. כלוריד האבץ הפיק את שטח הפנים הגבוה ביותר — כ־1,925 מטרים רבועים לגרם, בערך כמו לפרוש מגרש טניס על קוביית סוכר. חומצה זרחית, לעומת זאת, ייצרה פחמים עם נפחי נקבוביות משמעותיים ותערובת של נקבוביות זעירות וקצת גדולות יותר, וכן קבוצות פני שטח המכילות חמצן. תכונות כימיות אלה מחזקות את האינטראקציות עם CO2, שהוא מעט מקוטב ונמשך לאתרים פולריים או בסיסיים על פני הפחם.

כמה טוב הסופחים האלו לוכדים CO2?

החוקרים בדקו קליטת CO2 בלחצים עד 14 בר ובטמפרטורת החדר, תנאים הדומים לזרמי פליטה תעשייתיים. כל המדגמים הראו קליטה חזקה יותר בטמפרטורות נמוכות, תואם לתהליך פיזיקלי של "הדבקה": ככל שהמולקולות מתחממות הן נעות מהר יותר ופחות נוטות להישאר מוצמדות. בין החומרים, הפחם המופעל בחומצה זרחית עם יחס הטיפול הגבוה ביותר (מסומן ACH3) השיג את הקיבולת הטובה ביותר של CO2 בלחץ של 1 בר וב־25 °C, ועלה קמט על מדגם כלוריד האבץ למרות שטח פניו היה מעט נמוך יותר. היתרון נבע מנפח נקבוביות גדול יותר וכימיה שטח עשירה יותר. ניתוח החום המשוחרר במהלך ההספחה אישר כי CO2 מוחזק בעיקר בכוחות פיזיקליים ולא ביצירת קשרים כימיים חדשים — חשוב כי זה מאפשר לחדש את החומר בחימום מתון ולשימוש חוזר פעמים רבות.

הפרדת CO2 ממרכיבי האוויר הרגילים

לכידת CO2 מגזי פליטה אינה רק עניין של כמה הוא יכול להכיל, אלא גם עד כמה החומר מעדיף CO2 מול גזים אחרים כגון חנקן (N2), שהוא המרכיב העיקרי של האוויר. על ידי שילוב מדידות של התנהגות כל גז על הפחמים עם תיאוריה חיזויית מבוססת היטב, העריך הצוות עד כמה החומרים יספחו בחריגה CO2 מתערובת CO2/N2. גם הפחמים שטופלו בחומצה זרחית וגם אלו עם כלוריד האבץ הראו סלקטיביות חזקה, בהעדפת CO2 על פני N2 בכ־פקטור של כ־20 בלחץ אטמוספרי. המדגם המבוסס על ידרוקסיד האשלגן היה פחות סלקטיבי, ככל הנראה מכיוון שרשת הנקבוביות שלו הייתה מחוספסת יותר וחסומה חלקית, מה שנותן פחות אתרים בגודל אידיאלי ל־CO2. באופן חשוב, כל הפחמים בעליי הביצועים הטובים שמרו על ביצועים כמעט קבועים לאורך מספר מחזורי ספיחה–דספיחה, דבר שמצביע על עמידות לשימוש חוזר במערכות אמיתיות.

מה משמעות הדבר ללכידת CO2 בעתיד

ללא התעמקות מקצועית, מסקנת הדרך ברורה: מוצר יער בעל ערך נמוך ניתן לשדרג לפחם דמוי ספוג המכוון בקפידה, שמלכד CO2 ביעילות, מעדיף אותו בחוזקה על פני חנקן וניתן לשימוש חוזר פעמים רבות. מתוך הגישות שנבדקו, טיפולי חומצה זרחית ומלח אבץ של עץ הברזל הפרסי הניבו חומרים מבטיחים במיוחד, המאוזנים בין שטח פנים גבוה, גדלי נקבוביות מותאמים וכימיה שטחית מועדפת. אמנם תחזיות הביצועים בתערובות גזים עדיין דורשות אימות בניסויים בקנה מידה של זרימה מלאה, העבודה מראה כי "פחם" מהונדס מחומר ביומאס מקומי יכול להפוך לכלי פרקטי וזול לצמצום פליטות גזי חממה תעשייתיות.

ציטוט: Bandani, M., Najafi, M., Khalili, S. et al. Preparation and characterization of low-cost chemically activated carbons using H₃PO₄, ZnCl₂ and KOH for CO₂ adsorption applications. Sci Rep 16, 6288 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35319-6

מילות מפתח: לכידה של פחמן, פחם מופעל, ביומסה, הספחת CO2, חומרים נקבוביים