שיפור בלכידת CO2 בתהליך לאחר בעירה באמצעות פחם פעיל שעבר שינוי על ידי חומצות אמינו

ניקוי האוויר לאחר שדלק נשרף

פחמן דו‑חמצני ממפעלי כוח הוא מניע מרכזי להתחממות העולמית, ועדיין רוב החשמל שלנו מופק משריפת דלקים מאובנים. דרך מעשית להפחית פליטות אלה היא ללכוד את ה‑CO2 מהגזים החמים לפני שהם נעלמים לשמיים. המחקר הזה בוחן כיצד לשפר חומר נפוץ וזול יחסית — פחם פעיל — כך שיהיה טוב יותר בלכידת CO2 על‑ידי ציפוי עדין של פני השטח שלו עם אבני בניין פשוטות של חלבונים הנקראות חומצות אמינו.

הפיכת פחם יומיומי לספוג טוב יותר

פחם פעיל כבר משמש במסנני מים ובמטהרי אוויר כי הוא מלא בנקבוביות זעירות שפועלות כמו ספוג למולקולות. עבור לכידת לאחר בעירה במפעלי כוח, חומר אידיאלי חייב להחזיק הרבה CO2 גם כאשר הוא ברמות נמוכות ובטמפרטורות מוגברות, ובו־זמנית להישאר יציב וקל לשימוש חוזר. החוקרים התחילו עם פחמים פעילים מסחריים והשוו את יכולתם הטבעית לספוח CO2 — כאן "לספוח" משמעותו מולקולות שמתקשרות לפני השטח ולא מגיבות כימית. הם אישרו שבטמפרטורת החדר החומר יכול להחזיק כמה מילימול של CO2 לגרם, אך הקיבולת הזו יורדת חדה כשהגז מתחמם, סימן טיפוסי להידבקות פיזיקלית יותר מאשר לקישור כימי חזק.

הוספת אחיזות עדינות לפחמן דו‑חמצני

כדי לשפר את הביצועים, הצוות שינה את פני השטח של הפחם באמצעות שלוש חומצות אמינו: גליצין, סרין וליזין. אלה מולקולות אורגניות קטנות עשירות בחנקן, סוג אטום שידוע כמתקשר חזק יותר עם CO2. הפחם הפעיל הוא הושרה בתמיסות המכילות כל חומצת אמינו, לעתים יחד עם מלחים בסיסיים פשוטים, ואז נשטף ויובש. כשנבדקו הדגימות המטופלות, אלה המצופות בגליצין ובסרין לרוב לקחו יותר CO2 מהחומר המקורי, בעוד שליזין לעתים פגע בביצועים, במיוחד בשילוב עם מלחים מוספים. גליצין בלטה: למרות שהיא הקטנה מבין השלוש, היא הגדילה את קליטת ה‑CO2 עד לכ‑25% בלי לפגוע ביכולת החומר לקלוט חנקן, הגז הרקע העיקרי בזרמי המפלס.

מציאת נקודת האיזון בתנאי הטיפול

מכיוון שהעמסת יתר של המודיפיקאטורים עלולה לסתום את הנקבוביות, החוקרים שינו בזהירות את טמפרטורת הטיפול, הזמן וריכוז הגליצין, וניתחו את התוצאות באמצעות גישה סטטיסטית לעיצוב ניסויים. הם מצאו כי מתכון בינוני — טמפרטורה מתונה, מספר שעות טיפול ורמת גליצין בינונית — נתן את לכידת ה‑CO2 הטובה ביותר. מיקרוסקופיה ומדידות ספיחת גז הראו שהפחם המותאם שמר כמעט על אותה שטח פני והתפלגות גודל נקבוביות כמו החומר המקורי, דבר המצביע שגליצין בעיקר קישט את קירות הפנימיות במקום לחסום מעברים. בדיקות אינפרא‑אדום וקרני‑X אישרו שהופיעו על פני השטח קבוצות חדשות הנושאות חנקן וחמצן, בעוד המסגרת הפחמנית התחתונה נותרה ברובה ללא שינוי.

איך החומר המשופר מתנהג

על‑ידי מדידת האופן שבו CO2 וחנקן נצמדים לחומר בכמה טמפרטורות, הצוות העריך את החום שמשתחרר כשכל גז נספח. הערכים הללו נכללו בטווח הטיפוסי לאינטראקציות פיזיקליות, לא לתגובות כימיות קבועות, אך היו חזקים באופן ניכר יותר עבור הפחם שטופל בגליצין מאשר עבור הדוגמה הגולמית. משמעות הדבר היא ש‑CO2 מוחזק בחוזקה רבה יותר, מה שמסביר את הקיבולת הגבוהה יותר, ובכל זאת אמור להיות אפשר לשחרר את הגז שוב על‑ידי חימום צנוע או שינוי בלחץ. הפחם המותאם גם הראה יציבות תרמית טובה עד לטמפרטורות הרבה מעל אלה הנפוצות במערכות לכידה לאחר בעירה, מה שמרמז שהוא יכול לשרוד מחזורי לכידה‑שחרור רבים.

מה עשוי זאת להצביע לגבי פליטות במפעלי כוח

במונחים יומיומיים, העבודה מראה כי עיטור קל של פחם פעיל בחומצת אמינו פשוטה יכול להפוך חומר מסנן רגיל ל"מגנט" סלקטיבי וחזק יותר עבור CO2. גליצין מציעה את האיזון הטוב ביותר: גודלה הקטן מאפשר לה לצפות את קירות הנקבוביות בנקודות אחיזה נוספות בלי לסתום אותן, כך שמולקולות CO2 רבות יותר יכולות להיתפס ולהשתחרר שוב ושוב. אף על‑פי שהחומר עדיין פועל היטב יותר בטמפרטורות נמוכות, אסטרטגיות חכמות להחלפת חום במפעלי אמת יכולות לקרר את גזי הפליטה מספיק כדי לנצל את הספוג המשופר הזה. יחד, הממצאים האלו מצביעים על חומרים סופחים זולים ומתאימים שניתן להתקין במתקנים קיימים כדי לסייע בהקטנת פליטות גזי חממה בלי לשדרג את כל מערכת האנרגיה.

ציטוט: 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

מילות מפתח: לכידת פחמן, פחם פעיל, חומצות אמינו, לאחר בעירה, סיוג CO2