دی‌اکسید کربن را معمولاً تنها به‌عنوان یک آلاینده می‌شناسیم؛ محصول جانبی کارخانه‌ها، خودروها و نیروگاه‌ها که یکی از عوامل اصلی تغییرات اقلیمی به شمار می‌آید. اما اگر بتوانیم این گاز زائد را به ماده‌ای مفید تبدیل کنیم چه؟
این دقیقاً همان هدفی است که دانشمندان دانشگاه میشیگان با همکاری پژوهشگرانی از دانشگاه کالیفرنیا دیویس (UC Davis) و دانشگاه کالیفرنیا لس‌آنجلس (UCLA) در پی تحقق آن هستند.
تبدیل دی‌اکسید کربن به ماده اولیه سیمان
فناوری جدید برای تولید اگزالات‌های فلزی
تیم تحقیقاتی موفق شده‌اند روشی برای تبدیل دی‌اکسید کربن به اگزالات‌های فلزی توسعه دهند؛ موادی که می‌توانند به‌عنوان اجزای پایه در تولید سیمان به کار روند.
«این پژوهش نشان می‌دهد که چگونه می‌توانیم دی‌اکسید کربن را، که همه آن را محصولی زائد و بی‌ارزش می‌دانند، به ماده‌ای ارزشمند ارتقا دهیم»،
چارلز مک‌کروری، دانشیار شیمی و مهندسی ماکرومولکولی.
برخلاف دفن دی‌اکسید کربن، این تیم آن را از منابع مختلف جذب کرده و برای کاربردی نوین بازمهندسی می‌کند.
پروژه‌ای برای بستن چرخه کربن
این پژوهش بخشی از پروژه «مرکز بستن چرخه کربن» (4C) است که توسط وزارت انرژی ایالات متحده تأمین مالی می‌شود. هدف این مرکز یافتن روش‌هایی عملی برای جذب و استفاده مجدد از دی‌اکسید کربن است تا از رهاسازی مستقیم آن به جو جلوگیری شود.
سیمانی با ردپای کربن کمتر
چالش سیمان پرتلند
سیمان پرتلند، رایج‌ترین نوع سیمان، از حرارت دادن سنگ آهک و سایر مواد معدنی تولید می‌شود. این فرآیند نه‌تنها بسیار انرژی‌بر است، بلکه دی‌اکسید کربن زیادی نیز تولید می‌کند.
هدف پژوهشگران این بود که این روند را وارونه کنند؛ یعنی از CO₂ برای ساخت موادی استفاده کنند که جایگزین ترکیبات سنتی سیمان شوند.
اگزالات‌های فلزی: جایگزینی سبز
اگزالات‌های فلزی نمک‌هایی ساده هستند که می‌توانند به‌عنوان پیش‌ماده‌های سیمانی جایگزین شوند. دانشمندان مدت‌هاست می‌دانند که سرب می‌تواند کاتالیزوری برای تبدیل دی‌اکسید کربن به اگزالات‌های فلزی باشد. اما مشکل اینجاست که این فرآیند به مقدار زیادی سرب نیاز دارد که خطرات زیست‌محیطی و سلامتی جدی ایجاد می‌کند.
موفقیتی بزرگ با مقدار ناچیز سرب
کنترل محیط شیمیایی با پلیمرها
تیم 4C با کنترل محیط شیمیایی پیرامون کاتالیزور سرب با استفاده از پلیمرها توانستند میزان سرب مورد نیاز را به «بخش در میلیارد» (ppb) کاهش دهند؛ مقداری که با ناخالصی‌های متداول در مواد تجاری قابل مقایسه است.
«این یون‌های فلزی با اگزالات ترکیب شده و یک جامد تشکیل می‌دهند که از محلول رسوب می‌کند. این همان محصولی است که جمع‌آوری کرده و می‌توان آن را در فرآیند تولید سیمان استفاده کرد.»
مک‌کروری
افزایش کارایی با تنظیم ریزمحیط
با تنظیم دقیق ترکیب شیمیایی پیرامون کاتالیزور، کارایی واکنش افزایش یافته در حالی که تنها مقدار بسیار اندکی سرب به کار رفته است.
فرآیند تولید سیمان از CO₂
عملکرد الکترودهای دوگانه
در این فرآیند از دو الکترود استفاده می‌شود: یکی دی‌اکسید کربن را به یون‌های اگزالات حل‌شده تبدیل می‌کند، دیگری از فلز ساخته شده و یون‌هایی آزاد می‌کند که با اگزالات ترکیب شده و اگزالات‌های فلزی جامد می‌سازند. این جامدها قابل جمع‌آوری و استفاده در تولید سیمان هستند.
«اگزالات‌های فلزی قلمرو ناشناخته‌ای هستند – موادی جایگزین برای سیمان، پیش‌ماده‌های سنتز و حتی راه‌حلی برای ذخیره‌سازی دی‌اکسید کربن»
خسوس ولاسکز، نویسنده همکار از UC Davis
تأیید علمی با مدل‌سازی رایانه‌ای
آناستاسیا آلکساندرووا، دیگر نویسنده همکار، با مدل‌سازی رایانه‌ای صحت این فرآیند را تأیید کرده است.
«کاتالیزورها اغلب به‌صورت تصادفی کشف می‌شوند. فرمول‌های صنعتی موفق معمولاً بسیار پیچیده‌اند و از طریق آزمون و خطا پیدا می‌شوند.»
آلکساندرووا
«در این پژوهش، مثالی از ناخالصی جزئی سرب داریم که واقعاً به‌عنوان یک کاتالیزور عمل می‌کند. به نظر من نمونه‌های مشابه زیادی در دنیای واقعی وجود دارند که هنوز کشف نشده‌اند.»
ذخیره‌سازی CO₂ با سیمان
پایداری بلندمدت کربن
زمانی که دی‌اکسید کربن در اگزالات‌های فلزی قفل می‌شود، تحت شرایط معمولی به جو باز نمی‌گردد. این فرایند نه‌تنها بازیافت CO₂، بلکه شیوه‌ای مؤثر برای ذخیره‌سازی آن نیز محسوب می‌شود.
«این فرآیند واقعی جذب دی‌اکسید کربن است، چون ماده‌ای جامد از آن ساخته می‌شود. اما مهم‌تر اینکه این ماده جامد ارزشمند است و کاربردهای آتی دارد.»
مک‌کروری
امید به مقیاس‌پذیری صنعتی
تیم پژوهشی باور دارد این روش در آینده قابلیت توسعه صنعتی دارد. هرچند هنوز باید فرآیند تولید نهایی بهینه‌سازی شود، اما استفاده از مقدار بسیار کم سرب، گامی بزرگ به‌سوی پایداری زیست‌محیطی است.
«هنوز با هدف نهایی فاصله داریم، اما فکر می‌کنم این فرآیند مقیاس‌پذیر است. دلیل اصلی ما برای کاهش سطح سرب به بخش در میلیارد، همین بود که استفاده از مقادیر زیاد سرب در مقیاس صنعتی منطقی و زیست‌سازگار نیست.»
مک‌کروری
این مطالعه به‌طور کامل در مجله Advanced Materials منتشر شده است.
