CO2 adsorpsiyon uygulamaları için H3PO4, ZnCl2 ve KOH kullanılarak düşük maliyetli kimyasal olarak aktive karbonların hazırlanması ve karakterizasyonu

Atık Ağacı İklim Yardımcılarına Dönüştürmek

Artan karbondioksit (CO2) seviyeleri küresel ısınmanın temel itici güçlerinden biridir ve bu gazın önemli bir kısmı fosil yakıt yakan enerji santralleri ve fabrikalardan kaynaklanır. CO2 atmosfere ulaşmadan yakalanması iklim değişikliğini yavaşlatmanın umut verici yollarından biridir, ancak mevcut yöntemler sıklıkla maliyetli veya aşındırıcı sıvılar kullanır. Bu çalışma daha basit bir fikri araştırıyor: İran'ın kuzeyinde yaygın olan ve düşük ekonomik değere sahip İran demir ağacını yüksek gözenekliliğe sahip, kömür benzeri malzemelere dönüştürerek CO2'yi verimli ve ucuz şekilde tutmak.

Ormancılık Yan Ürününden Tasarlanmış Kömüre

Araştırmacılar Parrotia persica odunu ile başladılar; bu ağaç Hyrcanian ormanlarında bolca yetişir ancak ticari değeri düşüktür. Odun temizlendikten ve öğütüldükten sonra oksijensiz ortamda ısıtılarak karbonca zengin bir katı hâline getirildi; ardından üç farklı kimyasal ile muamele edildi: güçlü bir asit (fosforik asit), bir çinko tuzu (çinko klorür) ve güçlü bir baz (potasyum hidroksit). Her kimyasal ısıl işlem sırasında odunun doğal polimerleriyle farklı biçimlerde etkileşime girerek çok küçük gözenek ağları oluşturdu ve gazın tutunabileceği yüzey alanını ayarladı. Kullanılan kimyasal miktarını ve ısıl işlemin sıcaklığını değiştirerek farklı gözenek yapısına sahip bir dizi aktive karbon elde ettiler.

CO2 için Küçük Hacimler Tasarlamak

Neden gözenekler önemli? Katı malzemelerde gaz yakalama, gaz moleküllerinin zayıf elektriksel kuvvetlerle yüzeylere yapışmasıyla çalışır. Bir malzemenin iç yüzey alanı ne kadar büyük ve gözenek boyutları o kadar uygun olursa o kadar çok molekül tutabilir. Ekip gözenek boyutunu ve yüzey alanını azot gazı ve mikroskopi ile ölçtü. Çinko klorür en yüksek yüzey alanını üretti—yaklaşık 1.925 metrekare/gram; bu, bir şeker küpü üzerine bir tenis kortu serme benzetmesine denk geliyor. Fosforik asit ise özellikle büyük gözenek hacimleri ve çok küçük ile biraz daha büyük gözeneklerin karışımını, ayrıca çok sayıda oksijen içeren yüzey grubunu oluşturdu. Bu kimyasal özellikler, CO2’nin hafifçe elektriksel düzensiz oluşu nedeniyle karbon yüzeyindeki polar veya bazik bölgelerle etkileşimlerini güçlendirir.

Bu Adsorbanlar CO2’yi Ne Kadar İyi Yakalar?

Araştırmacılar CO2 alımını 14 bar’a kadar basınçlarda ve yaklaşık oda sıcaklığında test ettiler; bu koşullar endüstriyel baca gazlarına benzer. Tüm örnekler daha düşük sıcaklıklarda daha güçlü CO2 alımı gösterdi; bu, fiziksel bir “yapışma” süreciyle tutarlıdır: gaz molekülleri ısındıkça daha hızlı hareket eder ve bağlı kalma olasılıkları azalır. Malzemeler arasında en yüksek işlem oranına sahip fosforik asit ile aktive edilmiş karbon (ACH3 olarak adlandırılan) 1 bar ve 25 °C’de en iyi CO2 kapasitesine ulaştı; yüzey alanı biraz daha düşük olmasına rağmen çinko-klorür örneğini hafifçe geride bıraktı. Bu avantaj, daha büyük gözenek hacmi ve zengin yüzey kimyasından kaynaklandı. Adsorpsiyon sırasında açığa çıkan ısının analizi, CO2’nin esasen yeni kimyasal bağlar oluşturarak değil fiziksel kuvvetlerle tutulduğunu doğruladı; bu önemlidir çünkü malzemenin ılımlı bir ısıtmayla rejenerasyona uğrayıp birçok kez yeniden kullanılabileceği anlamına gelir.

CO2’yi Sıradan Hava Bileşenlerinden Ayırmak

Baca gazından CO2 yakalamak yalnızca ne kadar tutabildiğiyle ilgili değil, aynı zamanda nitröjen (N2) gibi diğer gazlara karşı CO2’yi ne kadar tercih ettiğidir; atmosferin çoğunu N2 oluşturur. Her gazın karbonlar üzerindeki davranış ölçümlerini iyi yerleşmiş bir öngörü teorisiyle birleştirerek ekip, malzemelerin CO2/N2 karışımından CO2’yi ne kadar seçici adsorbe edeceğini tahmin etti. Hem fosforik asit hem de çinko-klorür ile elde edilen karbonlar güçlü seçicilik gösterdi; atmosferik basınçta CO2’yi N2’ye göre yaklaşık 20 kat daha çok tercih ettiler. Potasyum-hidroksit bazlı örnek daha az seçiciydi; muhtemelen gözenek ağı daha kaba oyulmuş ve kısmen tıkanmış olduğundan CO2 için ideal boyuttaki yuvaların sayısı daha azdı. Önemli olarak, en iyi performans gösteren karbonların tümü birkaç adsorpsiyon–desorpsiyon döngüsünde neredeyse sabit performansını korudu; bu da gerçek sistemlerde tekrar kullanıma dayanabileceğini gösteriyor.

Gelecekteki CO2 Yakalama İçin Anlamı

Uzman olmayan biri için alınacak mesaj açıktır: düşük değerde bir orman yan ürünü, CO2’yi verimli yakalayan, nitröjeni güçlü biçimde tercih eden ve birçok kez yeniden kullanılabilen süngerimsi, ince ayarlı bir karbona yükseltilebilir. Test edilen yaklaşımlar arasında Parrotia persica’nın fosforik-asit ve çinko-tuz ile muamelesi özellikle umut verici malzemeler üretti; yüksek yüzey alanı, iyi eşleşmiş gözenek boyutları ve elverişli yüzey kimyasının bir dengesi söz konusuydu. Çalışmanın gaz karışımı performansı tahminleri tam ölçekli akış testlerinde doğrulanmaya ihtiyaç duysa da, yerel biyokütleden dikkatle tasarlanmış “kömür”ün endüstriyel sera gazı emisyonlarını azaltmak için pratik, düşük maliyetli bir araç haline gelebileceğini gösteriyor.

Atıf: 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

Anahtar kelimeler: karbon yakalama, aktive karbon, biyokütle, CO2 adsorpsiyonu, gözenekli malzemeler