خاک رس، یکی از مواد نانویی رایج در طبیعت، ممکن است به‌زودی نقش شگفت‌انگیزی در کاهش انتشار گاز دی‌اکسید کربن (CO₂) ایفا کند. پژوهشگران دانشگاه پردو (Purdue University) با همکاری آزمایشگاه ملی ساندیا (Sandia National Laboratories) موفق شده‌اند راهی برای استفاده از این ماده ساده و فراوان جهت جذب مستقیم دی‌اکسید کربن از هوا پیدا کنند.
این تحقیق که اخیراً منتشر شده، جایزه معتبر R&D 100 Award 2024 را به خود اختصاص داده و اکنون در مسیر ثبت اختراع قرار دارد.
پتانسیل بزرگ ذرات کوچک
بیش از ۳۰ سال تحقیق بر روی خاک رس
تیم تحقیقاتی دانشگاه پردو بیش از سه دهه است که روی خواص مواد معدنی خاک رس مطالعه می‌کند. دکتر کلیف جانستون، استاد دانشگاه و محقق اصلی این پروژه، در دانشکده کشاورزی و علوم زمین، جوی، و سیاره‌ای، رهبری این تحقیقات را بر عهده دارد.
او می‌گوید:
«مواد معدنی خاک رس دارای سطح ویژه بسیار بالایی هستند. فقط یک قاشق غذاخوری خاک رس می‌تواند سطحی به اندازه یک زمین فوتبال آمریکایی داشته باشد.»
بیشتر این سطح درون منافذ داخلی خاک رس قرار دارد که به‌طور همزمان دارای نواحی قطبی و غیرقطبی هستند. این ویژگی منحصر به‌فرد، امکان جذب گزینشی مولکول‌های خاص مانند دی‌اکسید کربن را فراهم می‌کند.
استفاده از ویژگی‌های مولکولی برای جذب CO₂
با توجه به اینکه دی‌اکسید کربن تمایل بیشتری به نواحی غیرقطبی دارد (در مقابل آب که جذب نواحی قطبی را ترجیح می‌دهد)، مهندسان می‌توانند ساختار خاک رس را طوری طراحی کنند که انتخابی و مؤثر دی‌اکسید کربن را جذب کند.
خاک رس اسمکتیت؛ انتخابی طبیعی برای جذب گازها
تمرکز بر خانواده خاک‌های اسمکتیت
در این مطالعه، تمرکز بر نوعی خاص از خاک‌های رس به نام اسمکتیت‌ها (Smectites) است. این گروه از خاک‌های نانویی از رایج‌ترین مواد معدنی در طبیعت محسوب می‌شوند و سطح ویژه و ابعاد میکروسکوپی آن‌ها، آن‌ها را به گزینه‌ای مناسب برای کاربردهای زیست‌محیطی، از جمله جذب گازهایی مانند دی‌اکسید کربن، تبدیل کرده است.
تجربه‌های گذشته پایه موفقیت امروز
جذب آلاینده‌های سمی در پروژه‌های پیشین
در پژوهش‌های پیشین، تیم پردو به بررسی قابلیت خاک رس برای جذب آلاینده‌های سمی از آب پرداخته بود. جانستون در این رابطه توضیح می‌دهد:
«کار قبلی ما روی جذب آلاینده‌های آلی سمی از محلول‌های آبی تمرکز داشت. متوجه شدیم که برخی انواع اسمکتیت دارای سطوح آب‌گریز هستند و می‌توانند مقادیر قابل‌توجهی از آلاینده‌های آلی، مانند دی‌اکسین‌ها (یکی از سمی‌ترین ترکیبات آلی شناخته‌شده)، را جذب کنند.»
دی‌اکسین‌ها اغلب محصول جانبی فعالیت‌های صنعتی و احتراق هستند و در بسیاری از سایت‌های آلوده (Superfund Sites) یافت می‌شوند. موفقیت در استفاده از خاک رس برای جذب این سموم، الهام‌بخش تیم تحقیقاتی برای استفاده مشابه جهت جذب دی‌اکسید کربن شد.
تغییر نگاه به خاک رس؛ از ماده‌ای ساده تا فناوری نوین
رقابت با فناوری‌های پیشرفته جذب CO₂
تا به امروز، بیشتر تلاش‌ها برای جذب دی‌اکسید کربن بر استفاده از مواد پیشرفته‌ای مانند زئولیت‌ها، چارچوب‌های فلزی-آلی (MOF)، و جاذب‌های آمینی جامد متمرکز بوده است. به‌عنوان نمونه، تاسیسات Orca شرکت Climeworks در ایسلند از فناوری آمینی برای جذب CO₂ استفاده می‌کند.
اما خاک رس تا کنون کمتر مورد توجه قرار گرفته بود؛ شاید به این دلیل که «بیش‌ازحد ساده» به‌نظر می‌رسید. این تحقیق، این دیدگاه را به چالش کشیده است.
بررسی خاک رس ساپونیت؛ رفتار جذب در شرایط طبیعی
ساپونیت و رقابت بین بخار آب و دی‌اکسید کربن
پژوهشگران در این پروژه بر نوع خاصی از اسمکتیت به نام ساپونیت (Saponite) تمرکز کرده‌اند. آن‌ها رفتار ساپونیت در مواجهه با دی‌اکسید کربن و بخار آب – که برای نفوذ به منافذ خاک رقابت می‌کنند – را بررسی کردند.
به‌جای گرم‌کردن خاک برای تقویت جذب، آن‌ها مسیر متفاوتی را انتخاب کردند: بررسی اثر رطوبت.
کاهش رطوبت، افزایش جذب CO₂
نتایج نشان داد که ساپونیت در شرایط کم رطوبت، جاذب قوی دی‌اکسید کربن است. این رفتار با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته طیف‌سنجی و وزن‌سنجی تأیید شد.
این نخستین باری است که محققان موفق شده‌اند نشان دهند خاک رس می‌تواند در شرایط نزدیک به محیط طبیعی – یعنی دمای اتاق و غلظت‌های عادی CO₂ – به‌طور مؤثر این گاز را جذب کند.
گامی کوچک برای رس، جهشی بزرگ برای اقلیم
راهکاری اقتصادی، مقیاس‌پذیر و در دسترس
با توجه به فراوانی و ارزانی خاک رس، این کشف می‌تواند راهکاری مقیاس‌پذیر برای جذب دی‌اکسید کربن از هوا فراهم کند. این ماده می‌تواند برای کاهش انتشار گازها از کارخانه‌ها استفاده شود یا حتی برای ذخیره زیرزمینی CO₂ به‌کار رود تا از ورود آن به جو جلوگیری شود.
اعتبار علمی و سابقه پژوهشی
این ایده تنها یک فرضیه نیست. دکتر جانستون تاکنون نزدیک به ۲۰۰ مقاله علمی منتشر کرده است که بسیاری از آن‌ها به تعامل مواد معدنی خاک با آلاینده‌ها و گازها پرداخته‌اند. این سابقه علمی، اعتبار یافته‌های جدید را افزایش می‌دهد.
در جهانی که به دنبال راه‌حل‌های مقرون‌به‌صرفه و مؤثر برای بحران اقلیمی است، ممکن است ذرات کوچک خاک رس، نقش بسیار بزرگی ایفا کنند.
نتیجه‌گیری
خاک رس، که تا پیش از این ماده‌ای پیش‌پاافتاده تلقی می‌شد، حالا در آستانه تبدیل‌شدن به یک قهرمان زیست‌محیطی است. قابلیت جذب دی‌اکسید کربن در شرایط محیطی معمولی، آن را به یکی از گزینه‌های بسیار کاربردی، ارزان و در دسترس برای مقابله با بحران اقلیمی تبدیل می‌کند.
ممکن است راه‌حل نجات زمین، زیر پایمان و در دل خاک پنهان شده باشد.
