Precursor-Dependent Effect of Urea Functionalization on CO₂ Capture by K₂CO₃- Activated Carbon Derived from Tembesu Wood and Bark
تُظهر هذه الدراسة أنه في حين أن الكربون المنشط بواسطة كربونات البوتاسيوم (K₂CO₃) والمستخلص من خشب لب شجر التيمبسوو يعمل بفعالية على احتجاز ثاني أكسيد الكربون دون تعديل، فإن الوظيفية باليوريا تعزز بشكل كبير من قدرة الكربون المستخلص من اللحاء على امتصاص ثاني أكسيد الكربون، مما يسلط الضوء على تأثير حاسم يعتمد على المادة الأولية حيث تؤدي المعالجة الكيميائية نفسها إلى نتائج أداء متباينة بناءً على مصدر الكتلة الحيوية.
يمتلئ الغلاف الجوي ببطء بثاني أكسيد الكربون، وهو غاز يحبس الحرارة ويدفع بتغير المناخ العالمي. ولإبطاء هذا الاحترار، يبحث العلماء عن طرق لالتقاط ذلك الغاز قبل أن يتسرب إلى السماء. وتتضمن إحدى الطرق الواعدة استخدام مواد صلبة مسامية تعمل مثل الإسفنج، حيث تمتص ثاني أكسيد الكربون من الهواء. وتعمل هذه المواد بأفضل شكل عندما تمتلك شبكة واسعة من الثقوب الصغيرة وكيمياء سطح تجذب جزيئات الغاز. وبينما تُصنع بعض هذه الإسفنجات من موارد غير متجددة مثل الفحم، يتجه الباحثون بشكل متزايد نحو نفايات النباتات، وهي مورد وفير ومستدام. ويكمن التحدي في معرفة كيفية معالجة أنواع مختلفة من المواد النباتية بدقة لإنشاء الإسفنج الأكثر فعالية، لأن ليست كل أجزاء النبات تتصرف بنفس الطريقة عند تحويلها إلى كربون.
في دراسة حديثة، بحث باحثون في إندونيسيا في نوع محدد من الخشب الصلب يُعرف باسم "تيمبسو" (Tembesu)، وهو شائع في منطقتهم وغالبًا ما يُستخدم في صناعة الأثاث. وعند معالجة هذا الخشب، فإنه يترك وراءه نوعين متميزين من النفايات: الخشب الداخلي واللحاء الخارجي. وعلى الرغم من أن كليهما يأتي من نفس الشجرة، إلا أن لهما تركيبات كيميائية مختلفة. أراد الفريق معرفة ما إذا كان هذان الجزآن سيتفاعلان بشكل مختلف عند تحويلهما إلى مادة كربونية مصممة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون. بدأوا بطهي نفايات الخشب واللحاء في ماء ساخن تحت الضغط، وهي عملية تحول الألياف النباتية إلى مادة تشبه الفحم. بعد ذلك، عالجوا هذا الفحم بعامل كيميائي لحرق بعض المادة وإنشاء شبكة من المسام، مما حوله فعليًا إلى إسفنج كربون منشط. وأخيرًا، اختبروا ما إذا كان إضافة طبقة غنية بالنيتروجين، مصنوعة من سماد شائع يسمى "اليوريا"، سيجعل هذه الإسفنجات أفضل في أداء مهمتها.
كشفت النتائج عن حقيقة مفاجئة: المعالجة نفسها لم تعمل بنفس الطريقة لكلا المادتين. فالكربون المنشط المصنوع من الخشب الداخلي كان فعالًا للغاية في التقاط ثاني أكسيد الكربون بمفرده بالفعل. وعندما أضاف الباحثون طبقة اليوريا إلى كربون الخشب الداخلي، أصبح في الواقع أقل كفاءة قليلًا، حيث فقد حوالي أربعة بالمائة من قدرته على احتجاز الغاز. وفي المقبب، بدأ الكربون المصنوع من اللحاء كممتص أضعف بكثير. ومع ذلك، بمجرد تطبيق طبقة اليوريا على كربون اللحاء، ارتفع أداؤه بشكل هائل؛ حيث تحسن بنسبة تزيد عن خمسين بالمائة، محولًا إياه إلى مادة فعالة للغاية يمكنها التقاط ما يقرب من نفس كمية الغاز التي يلتقطها أفضل عينة من الخشب الداخلي.
يسلط هذا الاختلاف الضوء على أن نجاح مادة التقاط الكربون يعتمد بشدة على نوع النفايات النباتية المحددة المستخدمة كنقطة انطلاق. وقد وجد الباحثون أن الخشب الداخلي واللحاء طورا هياكل داخلية وكيمياء سطحية مختلفة خلال عمليات التسخين والمعالجة الكيميائية. لقد غيرت معالجة اليوريا سطح كربون اللحاء بطريقة خلقت نقاطًا جديدة وجذابة لالتصاق الغاز، بينما بدت وكأنها تسد أو تغير سطح كربون الخشب الداخلي بطريقة أقل نفعًا. وتظهر هذه الدراسة أنه لا توجد وصفة واحدة "مثلى" لصنع هذه الإسفنجات. بدلاً من ذلك، يتطلب النهج الأكثر فعالية مطابقة المعالجة المحددة مع نوع المادة الحيوية المحددة. فبالنسبة للخشب الداخلي لشجرة "تيمبسو"، تكفي المعالجة الكيميائية البسيطة لإنشاء إسفنج كربوني قوي، ولكن بالنسبة للحاء، فإن إضافة طبقة النيتروجين ضرورية لإطلاق كامل إمكاناته. ويشير هذا الاكتشاف إلى أن الجهود المستقبلية لبناء أنظمة التقاط الكربون يجب أن تأخذ في الاعتبار بعناية مصدر المادة النباتية، ومعاملة الأجزاء المختلفة من نفس الشجرة كموارد متميزة بدلاً من افتراض أنها ستتصرف بشكل متطابق.
ملخص تقني: التأثير المعتمد على السلائف لعملية الوظيفية باليوريا على احتجاز ثاني أكسيد الكربون بواسطة الكربون المنشط بـ K₂CO₃ والمشتق من خشب ولحاء خشب التمبسو
بيان المشكلة يتطلب الارتفاع المستمر في مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي تطوير تقنيات فعالة ومنخفضة الطاقة لاحتجاز الكربون. وبينما تعد المواد الكربونية المسامية واعدة نظراً لاستقرارها وخصائصها القابلة للضبط، فإن أداءها حساس للغاية للكيمياء السطحية والبنية المسامية. وتكمن الفجوة الحرجة في فهم كيفية استجابة الأجزاء التشريحية المحددة من نوع واحد من الكتلة الحيوية لعمليات التنشيط الكيميائي والوظيفية النيتروجينية. غالباً ما تتعامل النهج التقليدية مع سلائف الكتلة الحيوية ككتلة متجانسة أو تفترض أن الوظيفية النيتروجينية (مثل اليوريا) تعزز امتزاز ثاني أكسيد الكربون بشكل عالمي. تعالج هذه الدراسة ما إذا كانت فعالية الوظيفية باليوريا تعتمد على الأصل التشريحي المحدد (الخشب الداخلي مقابل اللحاء) لسلائف الكتلة الحيوية، باستخدام نفايات خشب التمبسو (Fagraea fragrans) كمورد متجدد نموذجي.
المنهجية استخدم البحث نفايات خشب التمبسو، التي تم فصلها إلى جزأين متميزين: الخشب الداخلي واللحاء. تضمنت عملية التصنيع ثلاث مراحل متتالية:
الكربنة الحرارية المائية (HTC): تم تحويل كلا الجزأين إلى فحم مائي (hydrochar) عند درجة حرارة 160 درجة مئوية لمدة 6 ساعات.
التنشيط الكيميائي: تم تنشيط الفحم المائي باستخدام كربونات البوتاسيوم (K₂CO₃) عند 600 درجة مئوية لإنتاج كربون منشط (يُرمز له بـ KA-KT للخشب الداخلي و KA-KKT للحاء).
الوظيفية بالنيتروجين: عولجت الكربون المنشطة باستخدام اليوريا عبر مسار حراري مائي عند 160 درجة مئوية لإدخال الوظائف النيتروجينية، مما نتج عنه KA-KT-N و KA-KKT-N.
المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) مع برنامج ImageJ: لتقييم مورفولوجيا السطح وأقطار فتحات المسام الظاهرة.
مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورير (FTIR): لتحديد المجموعات الوظيفية السطحية.
حيود الأشعة السينية (XRD): لتحديد الترتيب الهيكلي والتبلور.
امتزاز ثاني أكسيد الكربون المبرمج بدرجة الحرارة (CO₂-TPD): لقياس سعة امتزاز ثاني أكسيد الكربون وقوة التفاعل.
النتائج الرئيسية كشفت الدراسة عن تباين صارخ في كيفية استجابة الجزأين المختلفين من الكتلة الحيوية لعمليات التصنيع والوظيفية:
التطور الهيكلي والمورفولوجي: حول تنشيط K₂CO₃ البنية الليجنوسليلوزية إلى إطار كربوني غير منظم. أظهر تحليل SEM أن الكربون المشتق من الخشب الداخلي (KA-KT) امتلك مورفولوجيا تشبه قرص العسل مترابطة، بينما أظهر الكربون المشتق من اللحاء (KA-KKT) فتحات مسام أكثر عزلة. أدت معالجة اليوريا إلى تغييرات مورفولوجية تعتمد على السلائف: تغير متوسط قطر فتحة المسام الظاهرة للخشب الداخلي بشكل طفيف (من 517 نانومتر إلى 521 نانومتر)، بينما أظهر الكربون المشتق من اللحاء زيادة كبيرة (من 572 نانومتر إلى 615 نانومتر).
السلوك الحراري: أشار TGA إلى أن الكربون المشتق من الخشب الداخلي (KA-KT) امتلك فقداناً في الكتلة عند درجات الحرارة المنخفضة أعلى بكثير (26.79%) مقارنة بالكربون المشتق من اللحاء (9.17%)، مما يشير إلى اختلافات في احتجاز الرطوبة والمواد المتطايرة. قللت معالجة اليوريا من هذا الفقدان في حالة جزء الخشب الداخلي، لكن كان لها تأثير ضئيل على جزء اللحاء.
أداء احتجاز ثاني أكسيد الكربون: كانت النتيجة الأكثر أهمية هي الاستجابة المتباينة للوظيفية باليوريا فيما يتعلق بامتصاص ثاني أكسيد الكربون:
الخشب الداخلي (KA-KT): حقق أعلى امتصاص أولي لثاني أكسيد الكربون بين العينات غير الوظيفية (2.1844 ملمول/جم). أدت معالجة اليوريا إلى خفض الأداء قليلاً بنسبة تقارب 4.0% (إلى 2.0966 ملمول/جم).
اللحاء (KA-KKT): أظهر في البداية أدنى امتصاص (1.3835 ملمول/جم). ومع ذلك، أدت الوظيفية باليوريا إلى تعزيز الأداء بنسبة تقارب 55.3%، مما رفع الامتصاص إلى 2.1485 ملمول/جم.
المساهمات والادعاءات الرئيسية يزعم البحث أن تأثير الوظيفية بالنيتروجين على امتزاز ثاني أكسيد الكربون ليس قاعدة عالمية بل هو معتمد بقوة على السلائف. توضح الدراسة ما يلي:
الأجزاء التشريحية مهمة: حتى ضمن نوع واحد من الخشب، يمتلك الخشب الداي واللحاء خصائص فيزيائية وكيميائية متميزة تملي تطورها الهيكلي واستجابتها اللاحقة للتعديل السطحي.
الوظيفية ليست مفيدة دائماً: إن تطبيق معالجة اليوريا على جميع أنواع الكربون المشتقة من الكتلة الحيوية ليس استراتيجية مثالية. بالنسبة لخشب التمبسي الداخلي، يوفر تنشيط K₂CO₃ وحده مادة ممتزة عالية الفعالية، وقد يكون إجراء الوظيفية الإضافي ضاراً بالنتائج. وعلى العكس من ذلك، فإن الوظيفية باليوريا ضرورية للحاء التمبسي لإطلاق إمكانات احتجاز ثاني أكسيد الكربون العالية.
العلاقة بين البنية والخصائص: تبرز النتائج أن امتصاص ثاني أكسيد الكربون محكوم بتفاعل معقد بين التركيب الأصلي للكتلة الحيوية، والتطور الهيكلي الناجم عن التنشيط، وتغيرات كيمياء السطح المحددة التي يتم إدخالها عبر الوظيفية. أبعاد فتحات المسام الخارجية (كما لوحظ في SEM) لا تحدد وحدها سعة الامتزاز؛ بل إن إمكانية الوصول إلى المسام الدقيقة وطبيعة الوظائف السطحية هي عوامل حاسمة.
الأهمية تكمن أهمية هذا العمل في تحديه لافتراض التجانس في تصميم المواد الممتزة المشتقة من الكتلة الحيوية. ومن خلال إظهار أن استراتيجيات الوظيفية "الموحدة للجميع" يمكن أن تفشل أو حتى تقلل من الأداء اعتماداً على جزء الكتلة الحيوية المحدد المستخدم، تدعو الدراسة إلى نهج أكثر دقة لتطوير المواد الممتزة المستدامة. إنها تقترح أن اختيار السلائف وتجزئتها هي معاملات تصميم حاسمة. وتدعم النتائج تثمين نفايات خشب التمبسو كمورد متجدد، حيث يمكن للخشب الداخلي أن يعمل كمادة ممتزة عالية الأداء بحد أدنى من المعالجة، بينما يتطلب اللحاء وظيفية نيتروجينية محددة لتحقيق كفاءة مماثلة. يتوافق هذا النهج مع مبادئ الاقتصاد الدائري من خلال تعظيم الاستفادة من مختلف تدفقات النفايات بناءً على خصائصها المادية المحددة.