Hydration-Activated Dolomite as a Medium-Temperature Sorbent for Integrated CO2 Capture and In Situ Reverse Water-Gas Shift

يبحث العالم عن طرق لوقف تراكم ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، وهو غاز يحبس الحرارة ويؤدي إلى تغير المناخ. يتضمن أحد النهج الواعدة التقاط هذا الغاز مباشرة من مداخن المصانع ومحطات الطاقة، ثم تحويله فوراً إلى وقود أو مواد كيميائية مفيدة. تعتمد هذه العملية المتكاملة، المعروفة باسم ICCU-RWGS، على مادة صلبة تسمى "المادة الماصة" (sorbent) لالتقاط ثاني أكسيد الكربون. وأكثر المواد الماصة شيوعاً هي تلك المصنوعة من الكالسيوم، وهو عنصر رخيص ووفير يوجد في صخور مثل الحجر الجيري والدولوميت. ومع ذلك، فإن عقبة كبيرة أعاقت الاستخدام الواسع لهذه التكنولوجيا وهي: عدم التطابق في درجات الحرارة. فالدخان الصناعي الخارج من المصانع يكون عادةً دافئاً، بين 200 و500 درجة مئوية، لكن المواد الماصة القائمة على الكالسيوم تعمل بشكل أفضل فقط عندما تكون أكثر سخونة بكثير، حوالي 600 إلى 700 درجة مئوية. إن محاولة تسخين عوادم المصانع لتناسب المادة الماصة ستؤدي إلى هدر الكثير من الطاقة، بينما أدى استخدام المادة الماصة عند درجة حرارة المصنع الطبيعية تاريخياً إلى أداء ضعيف جداً.

لقد وجد باحثون في جامعة تيانجين طريقة لسد هذه الفجوة من خلال تغيير البنية الفيزيائية للمادة الماصة قبل أن تتعرض لدخان المصنع. فبدلاً من استخدام الصخر في شكله القياسي المخبوز، قاموا بمعالجته بالماء. هذه الخطوة البسيطة، المعروفة باسم "التميؤ" (hydration)، تحول الكالسيوم في الصخر إلى شكل كيميائي مختلف يكون أكثر حماساً لالتقاط ثاني أكسيد الكربون عند درجات حرارة منخفضة. ومن خلال نقع الصخر في الماء ثم تجفيفه، نجح الفريق في إنشاء مادة تعمل بشكل استثنائي في نطاق درجات الحرارة المتوسطة حيث توجد معظم العوادم الصناعية. يشير هذا الاكتشاف إلى أن خطوة معالجة بسيطة ومنخفضة التكلفة يمكن أن تطلق العنان لإمكانات احتجاز الكربون المتكامل للمصانع في العالم الحقيقي، محولةً فكرة نظرية إلى أداة عملية لإزالة الكربون.

بدأ الفريق بالدولوميت الطبيعي، وهو معدن شائع يتكون من الكالسيوم والمغنيسيوم. أولاً، قاموا بخبز الصخر في حرارة عالية لإزالة أي ثاني أكسيد كربون موجود، تاركين وراءهم مسحوقاً مسامياً وتفاعلياً. ثم أخذوا جزءاً من هذا المسحوق وخلطوه بالماء عند درجة حرارة معتدلة تبلغ 50 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة. تسببت هذه العملية في امتصاص الكالسيوم للماء والتمدد، مما أدى فعلياً إلى تشقق البنية الداخلية للصخر وخلق نسيج أكثر انفتاحاً يشبه الإسفنج. اختبر الباحثون هذه المادة المعالجة بالماء، والتي أطلقوا عليها اسم S-1، جنباً إلى جنب مع الصخر المخبوز غير المعالج القياسي، المعروف باسم C-2، داخل مفاعل مختبري. وقد قاموا بمحاكاة ظروف المصنع عن طريق تغذية المواد بمزيج غاز يحتوي على ثاني أكسيد الكربون عند 400 درجة مئوية، وهي درجة حرارة نموذجية للعديد من تدفقات العادم الصناعية.

كان الفرق في الأداء صارخاً. عند هذه الدرجة المعتدلة من الحرارة، لم يلتقط الصخر غير المعالج سوى القليل جداً من ثاني أكسيد الكربون، متصرفاً كما لو كان خاملاً تقريباً. في المقابل، التقطت المادة المعالجة بالماء كمية كبيرة من الغاز. وقاس الباحثون أن المادة الماصة المعالجة التقطت 4.86 ملي مول من ثاني أكسيد الكربون لكل جرام من المادة. وكان هذا أكثر من أربعة أضعاف الكمية التي التقطها الصخر غير المعالج تحت نفس الظروف. وبمجرد التقاط ثاني أكسيد الكربون، قام الباحثون بتسخين المادة إلى 700 درجة مئوية وأدخلوا غاز الهيدروجين. أدت هذه الخطوة إلى تحفيز تفاعل كيميائي حول ثاني أكسيد الكربون الملتقط إلى أول أكسيد الكربون، وهو مكون رئيسي لصنع الوقود الاصطناعي. أنتجت المادة المعالجة 2.59 ملي مول من أول أكسيد الكربون لكل جرام، مما أثبت قدرتها ليس فقط على التقاط الغاز ولكن أيضاً على تحويله بكفاءة.

لفهم سبب حدوث ذلك، نظر الباحثون بدقة في بنية المادة. ووجدوا أن المعالجة بالماء تسببت في تحول الكالسيوم إلى مركب يسمى هيدروكسيد الكالسيوم. هذا المركب الجديد له حجم أكبر من أكسيد الكالسيوم الأصلي، ومع تشكله، قام بتباعد الجسيمات، مما خلق شبكة من المسام والقنوات الدقيقة. سمح هذا التغيير الهيكلي لغاز ثاني أكسيد الكربون بالتدفق بعمق داخل المادة والوصول إلى المزيد من المواقع النشطة. في المقابل، ظل الصخر غير المعالج متراصاً وكثيفاً نسبياً، مما منع الغاز من التغلغل بفعالية عند درجات الحرارة المنخفضة. لعب المغنيسيوم في الدولوميت دوراً داعماً، حيث عمل كإطار مستقر حافظ على تماسك البنية ومنع جزيئات الكالسيوم من التكتل أثناء خطوات التحويل عالية الحرارة.

كما درست الدراسة ما إذا كان هذا الأداء المحسن يمكن أن يستمر بمرور الوقت. عندما قام الباحثون بتشغيل عملية الالتقاط والتحويل بشكل متكرر دون إعادة معالجة المادة، انخفض أداء المادة الماصة المعالجة بالماء بسرعة. فبعد ثلاث دورات فقط، تضاءلت قدرتها على التقاط ثاني أكسيد الكربون بشكل كبير. حدث هذا لأن الحرارة العالية لخطوة التحويل حولت هيدروكسيد الكالسيوم النشط مرة أخرى إلى أكسيد الكالسيوم الأقل تفاعلية، مما جعل المادة غير قادرة على العمل جيداً عند درجة حرارة الالتقاط المنخفضة. ومع ذلك، عندما أدخل الباحثون خطوة إعادة ضبط بسيطة — وهي إعادة ترطيب المادة بالماء بين كل دورة — استعادت المادة هيكلها وأداءها. وعلى مدار خمس دورات مع عملية إعادة التميؤ الوسيطة هذه، حافظت المادة على سعة التقاط ثابتة تبلغ حوالي 3.0 ملي مول لكل جرام، متفوقة بكثير على الصخر غير المعالج الذي ظل غير فعال طوال الوقت.

أكد الباحثون أن المعالجة بالماء لم تغير شكل الصخر فحسب، بل غيرت هويته الكيميائية أيضاً. وباستخدام تحليل الأشعة السينية، تتبعوا تحول المادة عبر العملية بأكملها. ورأوا تحول الكالسيست من شكله المخبوز إلى الشكل الممتص للماء، ثم إلى شكل التقاط الكربون، وأخيراً العودة إلى الشكل المخبوز بعد التحويل. ومن الأهمية بمكان ملاحظة أن مكون المغنيسيوم ظل مستقراً ولم يتغير طوال الدورة، حيث عمل كدعامة موثوقة. كما أظهر التحليل أن المعالجة بالماء كانت أكثر فعالية عندما ظلت معتدلة؛ إذ أدى نقع الصخر لفترات أطول أو في درجات حرارة ماء أعلى إلى تقليل أدائه، ويرجع ذلك على الأرجح إلى أنه تسبب في تفاعل المادة مع ثاني أكسيد الكربون في الهواء قبل أوانه، مما أدى إلى سد المواقع النشطة قبل بدء التجربة حتى.

يسلط هذا العمل الضوء على حل عملي لمشكلة هندسية مستمرة. فمن خلال إضافة خطوة نقع بالماء فقط لتحضير معدن شائع، تمكن الباحثون من توسيع نطاق تشغيل تقنية احتجاز الكربون لتشمل منطقة الحرارة التي توجد فيها معظم النفايات الصناعية الحرارية. وتشير النتائج إلى أن المفتاح لجعل احتجاز الكربون المتكامل قابلاً للتطبيق في مصانع الصلب ومصانع الإسمنت ومحطات الطاقة قد لا يكمن في ابتكار مواد جديدة ومكلفة، بل في إعادة التفكير في كيفية تحضير المواد التي نمتلكها بالفعل. وبينما تتطلب الطريقة الحالية إخراج المادة من المفاعل لإعادة ترطيبها، تشير الدراسة إلى مستقبل يمكن فيه استخدام البخار لتجديد المادة مباشرة داخل النظام، مما يجعل العملية مستمرة وجاهزة للاستخدام الصناعي واسع النطاق. تقدم النتائج مساراً واضحاً لتحويل عدم تطابق درجات الحرارة إلى خطوة عملية يمكن إدارتها، مما يقرب هدف الوصول إلى صافي انبعاثات صفري من الواقع.