Reuse of spent molecular sieves as adsorbents: a waste valorization strategy for low-temperature thermal energy storage

تتغير أنظمة الطاقة. وبينما يسعى العالم للابتعاد عن الوقود الأحفوري، لا يكمن التحدي في توليد طاقة نظيفة فحسب، بل في تخزينها بكفاءة لوقت لا تشرق فيه الشمس أو لا تهب فيه الرياح. إحدى الطرق الواعدة لتخزين الحرارة هي عملية تسمى "الامتزاز". تخيل إسفنجة يمكنها امتصاص بخار الماء من الهواء؛ عندما يتم تسخين هذه الإسفنجة، فإنها تطلق الماء، وبذلك تمتص كمية كبيرة من الطاقة الحرارية. إذا أمكن تكرار هذه الدورة، فإن المادة تعمل كبطارية للحرارة، حيث تحتفظ بالطاقة حتى يحين وقت الحاجة إليها. والمفتاح لجعل هذا العمل يسير بشكل جيد هو العثور على مواد رخيصة، ومستقرة، وممتازة في جذب وإطلاق الماء. لعقود من الزمن، بحث العلماء عن بلورات اصطناعية تُعرف باسم "المناخل الجزيئية" للقيام بهذه المهمة، لكن هذه المواد باهظة الثمن في التصنيع وغالبًا ما يتم التخلص منها كنفايات خطرة بمجرد انتهاء غرضها الأصلي في تنقية الغاز الصناعي.

لقد حول فريق من الباحثين في الأرجنتين هذه المشكلة إلى فرصة. فقد استقصوا ما إذا كان بإمكان "المناخل الجزيئية المستهلكة" — تلك التي استُخدمت بالفعل في محطات تنقية الغاز الطبيعي والتي يتم التخلص منها حاليًا — أن تُمنح حياة ثانية كمواد لتخزين الحرارة. فبدلاً من معاملة هذه البلورات المهملة كقمامة، تساءل الباحثون عما إذا كانت بنيتها الداخلية وقدرتها على الاحتفاظ بالماء لا تزال سليمة بعد سنوات من الخدمة الصناعية. ومن خلال اختبار هذه المواد المستخدمة مقابل بلورات طبيعية جديدة ونوع آخر من المركبات الاصطناعية، اكتشفوا أن المادة المستعملة تحتفظ بالخصائص الأساسية اللازمة للعمل كبطارية حرارية. ويشير هذا الاكتشاف إلى وجود طريقة لتحويل منتج صناعي ثانوي خطير إلى مورد قيم، مما يدعم الاقتصاد الدائري حيث تتحول النفايات إلى أداة للطاقة المستدامة.

بدأت الدراسة بنوع محدد من النفايات: المناخل الجزيئية المستهلكة التي جُمعت من منشأة لمعالجة الغاز في قطاع النفط والغاز. تستخدم هذه المنشآت المناخل لتجفيف وتنقية الغاز الطبيعي، وإزالة الماء والشوائب الأخرى. ومع مرور الوقت، تتشبع هذه المناخل ويتم استبدالها، مما يولد حوالي 50 طنًا من هذه المادة سنويًا في مصنع واحد. وتُصنف هذه النفايات حاليًا على أنها خطرة لأنها تحتوي على هيدروكربونات محتبسة، مما يؤدي إلى تكاليف التخلص منها ومخاوف بيئية. أخذ الباحثون عينة من هذه المادة المستخدمة، وهي بلورة اصطناعية مكونة من السيليكون والألومنيوم والأكسجين، وأخضعوها لسلسلة من الاختبارات الصارمة. ولضمان مقارنة عادلة، اختبروا أيضًا معدنًا طبيعيًا وجد في الأرض ومركبًا اصطناعيًا مصنوعًا في المختبر، وفحصوا كيفية تفاعل كل منهما مع الحرارة وكيفية تفاعلهما مع الماء.

كانت الخطوة الأولى هي النظر في البنية الفيزيائية للمواد. باستخدام مجاهر قوية، فحص الباحثون السطح والمسام الداخلية للمناخل المستهلكة. ووجدوا أنه على الرغم من خدمتها الطويلة في مصنع صناعي، لم تنهار البلورات أو تفقد طبيعتها المسامية. فالقنوات والثقوب الصغيرة التي تسمح لجزيئات الماء بالدخول والخروج لا تزال واضحة ومتصلة تمامًا. كان هذا اكتشافًا حاسمًا لأن القدرة على تخزين الحرارة في هذا النظام تعتمد كليًا على قدرة المادة على السماح بدخول الماء وخروجه. بدت البلورات المستخدمة مشابهة بشكل ملحوظ للبلورات الجديدة، مما يشير إلى أن الظروف القاسية لتنقية الغاز لم تدمر الميزات التي تجعلها مفيدة لتخزين الطاقة.

بعد ذلك، حلل الفريق التركيب الكيميائي للمواد لفهم كيفية تفاعلها مع الماء. وقاسوا نسبة السيليكون إلى الألومنيوم في البلورات، وهو عامل يحدد مدى قوة جذب المادة لجزيئات الماء. أظهرت المناخل الجزيئية المستهلكة محتوى عاليًا من الألومنيوم، مما يخلق جذبًا كهربائيًا قويًا على جزيئات الماء، مما يجعل المادة جيدة جدًا في امتصاص الرطوبة. في المقابل، كان المعدن الطبيعي الذي اختبروه يحتوي على كمية أقل من الألومنيوم، وبالتالي من المرجح أن يحتفظ بالماء بشكل أقل إحكامًا. أما المادة الثالثة، وهي مركب مصنوع من فوسفات الكالسيوم، فقد تصرفت بشكل مختلف مرة أخرى، حيث اعتمدت على كيمياء السطح بدلاً من البنية البلورية الداخلية للاحتفاظ بالماء. أكد التحليل الكيميائي أن المناخل المستهلكة تمتلك نوع "الالتصاق" الصحيح للماء، وهي سمة حيوية لالتقاط وتحرير الطاقة الحرارية.

انتقل الباحثون بعد ذلك إلى الاختبار الحراري، حيث قاموا بتسخين المواد لمعرفة سلوكها تحت تغيرات درجات الحرارة. استخدموا تقنية تسمى "التحليل الحراري الوزني"، والتي تقيس مقدار الكتلة التي تفقدها العينة كلما زادت حرارتها. ومع ارتفاع درجة الحرارة، فقدت جميع المواد الثلاث وزنها، لكنها فعلت ذلك بطرق مختلفة. كان المعدن الطبيعي مستقرًا للغاية، حيث فقد كتلة ضئيلة جدًا، مما يعني أنه يحتفظ بماءه بإحكام ولكنه قد لا يطلقه بسهولة كافية للتخزين السريع للطاقة. أما المادة المركبة فقد فقدت وزنًا كبيرًا عند درجات الحرارة المرتفعة، ولكن هذا كان بسبب تفكك مكوناتها العضوية، وهي علامة على أنها قد لا تكون مستقرة بما يكفي للاستخدام المتكرر. ومع ذلك، أظهرت المناخل الجزيئية المستهلكة سلوكًا متوازنًا؛ فقد أطلقت الماء بثبات أثناء تسخينها، وفقدت الكتلة بطريقة مدروسة دون أن تتفكك. أشار هذا إلى إمكانية تسخينها لإطلاق الطاقة المخزنة ثم تبريدها لامتصاصها مرة أخرى، وهي دورة ضرورية لبطارية حرارية قابلة لإعادة الاستخدام.

ولفهم الطاقة المشاركة في هذه العملية، استخدم الفريق طريقة تسمى "مسعر المسح التفاضلي"، والتي تقيس تدفق الحرارة من المادة أو إليها. عندما قاموا بتسخين المناخل الجزيئية المستهلكة، لاحظوا امتصاصًا واسع النطاق لطاقة الحرارة. لم تكن هذه الحرارة تسخن المادة الصلبة فحسب، بل كانت تُستخدم لسحب جزيئات الماء بعيدًا عن سطح البلورة ومن مسامها الصغيرة. وحقيقة أن امتصاص الحرارة هذا حدث عبر نطاق واس\ع من درجات الحرارة تشير إلى أن الماء كان محتجزًا بطرق مختلفة داخل البلورة، بعضها ضعيف وبعضها أقوى. وهذا في الواقع أمر جيد لتخزين الطاقة، لأنه يسمح للمادة بامتصاص الحرارة تدريجيًا بدلاً من امتصاصها دفعة واحدة. أظهرت القياسات أن المناخل المستهلكة يمكنها امتصاص كمية كبيرة من الطاقة الحرارية، بما يضاهي أو حتى يتفوق على المعدن الطبيعي الجديد، مما يثبت أن قدرتها على تخزين الحرارة لم تضع خلال حياتها الأولى في مصنع الغاز.

خلصت الدراسة إلى أن هذه البلورات الصناعية المهملة ليست مجرد نفايات، بل هي مورد قابل للتطبيق لتخزين الطاقة الحرارية منخفضة الحرارة. فقد حافظت المناخل الجزيئية المستهلكة على سلامتها الهيكلية، وقدرتها الكيميائية على جذب الماء، واستقرارها الحراري حتى بعد استخدامها في ظروف صناعية قاسية. ويمكن تسخينها لإطلاق الماء والطاقة، ثم تبريدها لامتصاص الماء وتخزين الطاقة مرة أخرى، دون أن تتفكك. يقدم هذا الاكتشاف مسارًا عمليًا للمضي قدمًا في الاقتصاد الدائري. فبدلاً من إرسال 50 طنًا من النفايات الخطرة إلى مكب النفايات كل عام، يمكن لمنشأة معالجة الغاز أن تعيد استخدام هذه المادة نفسها للمساعدة في تخزين الطاقة المتجددة. وبينما أشار الباحثون إلى أن هناك حاجة لمزيد من العمل لاختبار كيفية أداء هذه المواد على مدى سنوات عديدة من التسخين والتبريد المتكرر، إلا أن النتائج الأولية واضحة: إن النفايات الناتجة عن صناعة ما يمكن أن تصبح حلًا لتخزين الطاقة لصناعة أخرى، مما يحول مشكلة التخلص من المواد إلى أصل مستدام.