From hydrogen peroxide to fixed nitrogen: air injection through a hollow electrode in a hydrodynamic cavitation discharge
تُظهر هذه الدراسة أن حقن الهواء المحيط في تفريغ التكهف الهيدروديناميكي عبر قطب كهربائي مجوف يتيح الإنتاج المباشر للنيتروجين المثبت (النتريت والنترات) في الطور المائي على حساب عائد بيروكسيد الهيدروجين، محققاً مقايضة يتم فيها التضحية بنحو ثلث إنتاج البيروكسيد لتوليد أنواع النيتروجين دون الحاجة إلى ضغط غاز خارجي.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
النيتروجين هو المحرك الصامت للحياة على الأرض، وهو لبنة أساسية للبروتينات التي تشكل كل نبات وحيوان. ومع ذلك، وعلى الرغم من كونه الغاز الأكثر وفرة في غلافنا الجوي، إلا أنه محبوس في شكل لا تستطيع الكائنات الحية استخدامه. لأكثر من قرن، اعتمدت البشرية على عملية صناعية ضخمة تستهلك الكثير من الطاقة لكسر هذه الروابط وإنتاج الأسمدة، وهي طريقة تستهلك حصة كبيرة من إمدادات الطاقة في العالم. لطالما بحث العلماء عن وسيلة لفك قيد هذا النيتروجين باستخدام الكهرباء، آملين في ابتكار بديل أصغر وأكثر رفقاً بالبيئة يمكن تشغيله بالطاقة المتجددة في نفس مكان زراعة المحاصيل. ويكمن التحدي في ابتكار تفاعل يتسم بالكفاءة الكافية ليكون عملياً، بحيث يحول الهواء غير المرئي إلى مغذيات سائلة دون استنزاف الكثير من الطاقة.
لقد اتبع فريق من الباحثين في جمهورية التشيك نهجاً مختلفاً لهذه المشكلة عبر الجمع بين ظاهرتين فيزيائيتين متمايزتين: الانهيار العنيف للفقاعات في سائل، وشرارة التفريغ الكهربائي. فقد قاموا ببناء جهاز يدفع الماء عبر فوهة ضيقة، مما يخلق منطقة ذات ضغط منخفض حيث يغلي الماء فوراً ليشكل سحابة من فقاعات البخار. وداخل هذه السحابة، يقومون باستدامة توهج كهربائي. في النسخ السابقة من هذا الإعداد، كان الجهاز يعمل كمطهر قوي، حيث يولد بيروكسيد الهيدروجين عن طريق تفكيك جزيئات الماء، لكنه لم ينتج تقريباً أي مغذيات قائمة على النيتروجين. وقد اشتبه الباحثون في أن مفتاح تحرير النيتروجين يكمن في الغاز نفسه؛ إذ كانت الفقاعات مليئة بمعظمها ببخار الماء، مما ترك مساحة ضئيلة للنيتروجين الموجود في الهواء للمشاركة في التفاعل.
ولحل هذه المعضلة، قام الفريق بتعديل المفاعل عن طريق تجويف القطب المعدني المركزي. فبدلاً من استخدام قضيب صلب، استخدموا أنبوباً يسمح بسحب الهواء المحيط مباشرة إلى قلب سحابة التكهف، حيث يحدث التفريغ الكهربائي تماماً. ولأن الضغط داخل سحابة الفقاعات أقل من الضغط الخارجي للهواء، يتم سحب الهواء بشكل طبيعي دون الحاج لاحتياج إلى أي مضخات أو ضواغط خارجية. هذا التغيير البسيط حول كيمياء النظام؛ فعندما قاموا بتشغيل التجربة مع تدفق مستمر للهواء، بدأ الجهاز في إنتاج كميات كبيرة من النتريت والنترات، وهي أشكال النيتروجين التي يمكن للنباتات امتصاصها. ووجد الباحثون أنه من خلال حقن الهواء بمعدل ستة لترات في الدقيقة أثناء معالجة دفعة من الماء، يمكنهم توليد عائد إجمالي قدره أربعون ميليمول من النيتروجين المثبت لكل كيلوواط/ساعة من الكهرباء المستخدمة.
ومع ذلك، جاءت هذه القدرة الجديدة مع مقايضة واضيرة. فالطاقة الكهربائية التي كانت مخصصة سابقاً لصنع بيروكسيد الهيدروجين أصبحت الآن تشارك في مهمة تثبيت النيتروجين. ومع زيادة تدفق الهواء، انخفض إنتاج بيروكسيد الهيدروجين بنحو الثلث، حيث تراجع من مائتين وأربعة وخمسين إلى مائة وسبعين ميليمول لكل كيلوواط/ساعة. وأظهرت البيانات وجود تنافس مباشر بين المسارين الكيميائيين؛ إذ لم يستطع الجهاز تعظيم كلا المخرجين في آن واحد. ولاحظ الباحثون أن الضوء المنبعث من الشرارة تغير بشكل كبير مع إضافة الهواء؛ فبدون الهواء، كان التوهج يهيمن عليه توقيع جذور الهيدروكسيل، وهي شظايا جزيئات الماء. ومع تدفق الهواء، تحول الطيف ليظهر النطاقات المميزة لجزيئات النيتروجين المثارة، مما أكد أن التفريغ الكهربائي أصبح يتفاعل بشكل أساسي مع الهواء المحقون بدلاً من بخار الماء.
كما كشفت الدراسة أن درجة حرارة الغاز داخل الفقاعات لعبت دوراً حاسماً. فمع إضافة المزيد من الهواء، ارتفعت درجة حرارة الغاز، لتصل إلى نطاق تصبح فيه التفاعلات الكيميائية الحرارية ذات أهمية كبيرة. وهذا يشير إلى أن تثبيت النيتروجين لم يكن يحدث فقط من خلال تصادمات الإلكترونات عالية الطاقة، بل كان مدعوماً أيضاً بالحرارة المتولدة داخل التفريغ. علاوة على ذلك، لاحظ الباحثون أن المعادن الطبيعية في مياه الصنبور التي استخدموها عملت كمنظم، مما حافظ على استقرار حموضة الماء. وكان هذا أمراً حيوياً لأن الماء في العديد من التجارب المماثلة يصبح شديد الحموضة لدرجة أن النتريت المتكون حديثاً يتحلل أو يتفاعل بعيداً. أما هنا، فقد ظل الماء متعادلاً، مما سمح للنتريت بالبقاء وحتى أن يصبح المنتج المهيمن، مشكلاً أكثر من ثلثي إجمالي النيتروجين المنتج.
وبينما تعتبر تكلفة الطاقة لهذه الطة حالياً أعلى بكثير من إنتاج الأسمدة الصناعية التقليدية، يرى الباحثون أن القيمة تكمن في العملية نفسها. فالنظام ينتج المغذيات مباشرة في الماء، جاهزة للاستخدام، ويعمل دون الحاجة إلى معدات ضغط غاز معقدة. إنه يمثل تحولاً من جهاز مصمم لتعقيم المياه فقط إلى جهاز قادر على إنتاج الأسمدة السائلة عند الطلب. وتوضح هذه الدراسة أنه من خلال تغيير تكوين الغاز داخل سحابة التكهف فحسب، يمكن توجيه الكيمياء من إنتاج المؤكسدات إلى إنتاج المغذيات، مما يفتح مساراً جديداً للزراعة اللامركزية المدفوعة كهربائياً.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.