آزاد کردن قدرت خاک رس: آیا برای جذب دی اکسید کربن از هوا کلیدی است؟

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه (سای تک دیلی)، دانشمندان در آزمایشگاه ملی ساندیا، خاک رس را برای ربودن دی اکسید کربن به طور مستقیم از هوا مطالعه می‌کنند.

اگرچه سطح اتمسفر دی اکسید کربن - گازی که در به دام انداختن گرما و تغییرات آب و هوایی عالی است - تقریباً دو برابر قبل از انقلاب صنعتی است، اما تنها ۰.۰۴۱۵ ٪ از هوایی که ما تنفس می‌کنیم را تشکیل می‌دهد.

این یک چالش برای محققانی است که در تلاش برای طراحی درختان مصنوعی یا سایر روش‌های جذب دی اکسید کربن به طور مستقیم از هوا هستند. این چالش، چالشی است که تیمی از دانشمندان تحت رهبری آزمایشگاه ملی ساندیا در تلاش برای حل آن هستند.

این تیم به سرپرستی مهندس شیمی ساندیا، توان هو، از مدل‌های کامپیوتری قدرتمند همراه با آزمایش‌های آزمایشگاهی برای مطالعه این که چگونه نوعی خاک رس می‌تواند دی اکسید کربن را جذب کرده و آن را ذخیره کند، استفاده کرده است.

این یافته‌های اساسی پتانسیلی برای گرفتن مستقیم هوایی دارند. هو، نویسنده اصلی مقاله، گفت: این همان چیزی است که ما برای آن کار می‌کنیم. خاک رس واقعاً ارزان و در طبیعت فراوان است. این باید به ما امکان دهد که هزینه جذب کربن مستقیم هوا را به میزان قابل توجهی کاهش دهیم، اگر این پروژه پر خطر و با پاداش در نهایت منجر به یک فناوری شود.

چرا کربن را جذب کنیم؟

جذب و جداسازی کربن فرآیند جذب دی اکسید کربن اضافی از جو زمین و ذخیره آن در اعماق زمین با هدف کاهش اثرات تغییرات آب و هوایی مانند طوفان‌های شدیدتر، افزایش سطح دریا‌ها و افزایش خشکسالی و آتش سوزی‌های جنگلی است. این دی‌اکسید کربن را می‌توان از نیروگاه‌های سوخت فسیلی، یا سایر تأسیسات صنعتی مانند کوره‌های سیمان، یا مستقیماً از هوا که از نظر فناوری چالش‌برانگیزتر است، جذب کرد. جذب و جداسازی کربن به طور گسترده یکی از کم بحث‌برانگیزترین فناوری‌هایی است که برای مداخله در آب و هوا در نظر گرفته می‌شود.

سوزان رمپ، مهندس زیستی ساندیا و دانشمند ارشد در این پروژه، گفت: ما انرژی کم‌هزینه، بدون تخریب محیط زیست را می‌خواهیم. ما می‌توانیم به گونه‌ای زندگی کنیم که دی اکسید کربن زیادی تولید نشود، اما نمی‌توانیم کار‌های همسایگانمان را کنترل کنیم. جذب مستقیم کربن از طریق هوا برای کاهش میزان دی اکسید کربن در هوا و کاهش دی اکسید کربنی که همسایگان ما آزاد می‌کنند مهم است.

هو تصور می‌کند که می‌توان از دستگاه‌های مبتنی بر خاک رس مانند اسفنج برای جذب دی‌اکسید کربن استفاده کرد و سپس دی‌اکسید کربن را می‌توان از اسفنج «فشرده» کرد و به اعماق زمین پمپ کرد. یا خاک رس را می‌توان بیشتر مانند یک فیلتر برای جذب دی اکسید کربن از هوا برای ذخیره سازی استفاده کرد.

خاک رس علاوه بر ارزان بودن و در دسترس بودن، پایدار است و سطح بالایی دارد - از ذرات میکروسکوپی زیادی تشکیل شده است که به نوبه خود دارای شکاف‌ها و شکاف‌هایی در حدود صد هزار بار کوچکتر از قطر موی انسان هستند.

رِمپ گفت که این حفره‌های کوچک نانو منافذ نامیده می‌شوند و خواص شیمیایی می‌توانند در این منافذ در مقیاس نانو تغییر کنند.

این اولین بار نیست که رِمپ مواد نانوساختار را برای جذب دی اکسید کربن مطالعه می‌کند. در واقع، او بخشی از تیمی است که یک کاتالیزور بیولوژیکی برای تبدیل دی اکسید کربن به بی کربنات پایدار در آب مورد مطالعه قرار داد، یک غشای نازک و نانوساختار را برای محافظت از کاتالیزور بیولوژیکی طراحی کرد و یک حق اختراع برای غشای الهام‌گرفته از کربن دریافت کرد.

رمپ گفت که البته، این غشاء از خاک رس ارزان ساخته نشده است و در ابتدا برای کار در نیروگاه‌های سوخت فسیلی یا سایر تاسیسات صنعتی طراحی شده بود.

رِمپ معتقد است این‌ها دو راه حل ممکن مکمل برای یک مشکل هستند.

چگونه مقیاس نانو را شبیه سازی کنیم؟

دینامیک مولکولی نوعی شبیه‌سازی کامپیوتری است که به حرکات و برهم‌کنش‌های اتم‌ها و مولکول‌ها در مقیاس نانو نگاه می‌کند. با مشاهده این فعل و انفعالات، دانشمندان می‌توانند میزان پایداری یک مولکول را در یک محیط خاص - مانند نانو منافذ خاک رس پر از آب، محاسبه کنند.

هو گفت: شبیه سازی مولکولی واقعا ابزار قدرتمندی برای مطالعه برهمکنش‌ها در مقیاس مولکولی است. این به ما اجازه می‌دهد تا به طور کامل بفهمیم که بین دی اکسید کربن، آب و خاک رس چه می‌گذرد و هدف استفاده از این اطلاعات برای مهندسی یک ماده خاک رس برای کاربرد‌های جذب کربن است.

هو گفت در این مورد، شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی انجام‌شده توسط هو نشان داد که دی‌اکسید کربن می‌تواند در نانوحفره‌های رس مرطوب بسیار پایدارتر از آب ساده باشد. این به این دلیل است که اتم‌های آب الکترون‌های خود را به طور یکنواخت به اشتراک نمی‌گذارند و باعث می‌شود یک سر آن کمی بار مثبت و سر دیگر آن کمی بار منفی داشته باشد. از سوی دیگر، اتم‌های موجود در دی‌اکسید کربن الکترون‌های خود را به طور یکنواخت به اشتراک می‌گذارند و مانند روغن مخلوط شده با آب، دی‌اکسید کربن در نزدیکی مولکول‌های مشابه، مانند مناطق سیلیکون-اکسیژن خاک رس پایدارتر است.

هو گفت که همکاران دانشگاه پردو به رهبری پروفسور کلیف جانستون اخیراً از آزمایش‌هایی استفاده کردند تا تأیید کنند که آب محصور در نانوحفره‌های رسی، دی اکسید کربن بیشتری را نسبت به آب ساده جذب می‌کند.

هو گفت که محقق فوق دکترای سندیا، نابانکور داسگوپتا، همچنین دریافت که در داخل مناطق نفت مانند نانوحفره ها، انرژی کمتری برای تبدیل دی اکسید کربن به اسید کربنیک مصرف می‌شود و واکنش را در مقایسه با همان تبدیل در آب ساده مطلوب‌تر می‌کند.

او افزود که با مطلوب کردن این تبدیل و نیاز به انرژی کمتر، در نهایت مناطق نفت مانند نانوحفره‌های خاک رس، جذب دی اکسید کربن بیشتری را امکان‌پذیر می‌کند و آن را راحت‌تر ذخیره می‌کند.

ریمپ گفت: تا کنون، این به ما می‌گوید که خاک رس ماده خوبی برای جذب دی اکسید کربن و تبدیل آن به مولکول دیگر است؛ و ما درک می‌کنیم که چرا این اتفاق می‌افتد، به طوری که افراد سنتز و مهندسان می‌توانند مواد را برای تقویت شیمی سطح روغن مانند تغییر دهند. شبیه‌سازی‌ها همچنین می‌توانند آزمایش‌ها را برای آزمایش فرضیه‌های جدید در مورد چگونگی ارتقای تبدیل دی‌اکسید کربن به مولکول‌های ارزشمند دیگر راهنمایی کنند.

هو گفت که گام‌های بعدی این پروژه استفاده از شبیه‌سازی‌ها و آزمایش‌های دینامیک مولکولی برای کشف چگونگی بازگرداندن دی اکسید کربن از نانوحفره خواهد بود. تا پایان این پروژه سه ساله، آن‌ها قصد دارند یک دستگاه جذب کربن مستقیم هوای مبتنی بر خاک رس را مفهومی کنند.

دانشمندان یافته‌های اولیه خود را در مقاله‌ای که در ۹ فوریه در مجله The Journal of Physical Chemistry Letters منتشر شد به اشتراک گذاشتند.