85% از آلایندگی های گازی حاوی دی اکسید کربن (CO2) ناشی از سوخت های فسیلی می باشد. آلودگی کربن موجود در هوا باعث گرم شدن زمین، بارش های سنگین، آتشسوزی جنگلی و …. می شود. بنابراین تصفیه و کربن زدایی گازهای تولید شده توسط ماشین آلات، کارخانجات و نیروگاه ها به شدت مورد نیاز بوده تا از صدمات انسانی و محیط زیستی جلوگیری شود.
تا بحال تحقیقات گوناگونی در رابطه با جذب دی اکسید کربن موجود در هوا با روش ها و مواد جاذب مختلف صورت گرفته است که نتایج همگی آنها مثبت بوده اما نکته مهم قابلیت عملیاتی شدن این روش ها و مواد در مقیاس صنعتی می باشد.
در پژوهش جامعی که در سال جاری (2023) صورت گرفته، محققین توانسته اند CO2 موجود در آلایندگی های گازی را با استفاده از ماده ای جدید به نام نانو صفحات مَکسین (MXene) جذب کرده بطوریکه تکنیک استفاده شده قابلیت صنعتی شدن را نیز دارا می باشد. در این مقاله به بررسی دقیق تر این پژوهش جدید می پردازیم.
نانو صفحات مَکسین و قابلیت آنها در جذب و کنترل CO2
دی اکسید کربن موجود در هوا عامل اصلی تغییرات آب و هوایی می باشد که همین تغییرات آب و هوایی خود منجر به شکل گیری پدیده هایی نظیر خشکسالی، سیل، تغییرات سطح دریاها، فرسایش، گرمایش زمین و…. در جهان می گردد. چنین تغییرات آب و هوایی در درازمدت خطرناک بوده و زندگی آیندگان را تحت تاثیر قرار خواهد داد.
در سال 2022، غلظت دی اکسید کربن موجود در هوا برابر با حدود ppm 417 اندازه گیری شد که اگر چنین غلظت بالایی از دی اکسید کربن با همین سرعت افزایش یابد دمای کره زمین بیش از 1.5 درجه سانتی گراد در دهه آینده افزایش خواهد یافت. این نتایج نشان می دهند که افزایش بی رویه میزان دی اکسید کربن در هوا مشکلات بزرگی را به همراه خواهد داشت و بنابراین نیاز است تا میزان آن را کم کرده و کنترل نمود.
تا بحال روش های مختلفی برای کاهش میزان دی اکسید کربن از طریق جذب آن صورت گرفته که می توان روش تسخیر مستقیم هوا (Direct Air Capture) را به عنوان نمونه معرفی کرد. در این روش هوای محیط توسط دستگاهی مکیده شده و سپس به کمک مواد جاذب مخصوص، دی اکسید کربن موجود در هوا جداسازی و ذخیره می گردد. تا بحال مواد جاذب گوناگونی نظیر زئولیت، سیلیکا ژل، کربن فعال و… برای جذب CO2 مورد استفاده قرار گرفته اند. اما این روش و سایر روش های بکار رفته در حذف دی اکسید کربن به علت قیمت بالا، عدم قابلیت استفاده مجدد و در دسترس نبودن مواد جاذب CO2 قابلیت عملیاتی شدن در مقیاس بزرگ را دارا نمی باشند. کمبود های روش ها و مواد جاذب ارائه شده برای جذب دی اکسید کربن باعث شده است تا محققین همواره به دنبال یافتن راه حل ها و مواد جدید تر، کم هزینه تر و با قابلیت مقیاس پذیری بالا باشند.
طی دو دهه گذشته، نانو ماده ای جدید تحت عنوان نانو صفحات مَکسین (MXene)، که در دسته نانو مواد با ساختار دو بعدی (2D) قرار می گیرند، کشف و معرفی شدند. نانو صفحات مکسین از خواص مکانیکی، الکتریکی، شیمیایی، الکترونیکی و فوتوکاتالیستی ویژه ای برخوردار هستند که تمامی این ویژگی ها تاثیر مستقیم و مثبت بر عملکرد این ماده در جذب دی اکسید کربن می گذارند.
در ادامه به معرفی این خواص و تاثیر آنها بر جذب دی اکسید کربن می پردازیم:
- خواص شیمیایی: نانو صفحات مکسین دارای سطح ویژه بالا، کانال های انتقالی سریع (کانال های انتقالی در نانو مواد دو بعدی وظیفه انتقال الکترون را بر عهده دارند) و ساختار باز و متخلخل هستند. مجموع این سه ویژگی شیمیایی کمک می کند تا عملکرد این نانو صفحات در جذب CO2 به مقدار قابل توجهی نسبت به سایر مواد افزایش یابد.
- خواص مکانیکی: پایداری مکانیکی نانو صفحات مکسین تاثیر خیلی مهمی بر عملکرد آنها می گذارد. اگر نانو صفحات مقاومت بالایی در برابر فشارهای خارجی نداشته باشند براحتی دچار تغییر شکل شده، تخلخل ها و کانال های انتقالی آنها تخریب شده و در نتیجه این امر عملکرد ماده در جذب دی اکسید کربن تضعیف می گردد. خوشبختانه نانو صفحات مکسین از پایداری و استحکام مکانیکی بالایی برخوردارند که همین موضوع منجر به عملکرد مطلوب آنها در جذب CO2 می گردد.
- خواص الکتریکی: جذب دی اکسید کربن توسط مواد جاذب به دو صورت فیزیکی و شیمیایی می تواند انجام شود. جذب فیزیکی بر اساس نیروهای واندر والسی و یا نیروهای الکترو استاتیک شکل گرفته میان مولکول های CO2 و ماده جاذب بوده که منجر به چسبیدن دی اکسید کربن به سطح جاذب می گردد. جذب فیزیکی به شدت تحت تاثیر ساختار متخلخل ماده جاذب در دماها و فشارهای مختلف می باشد بطوریکه هرچه تخلخل بیشتر بوده و ساختار متخلخل پایداری بالاتری داشته باشد جذب فیزیکی CO2 بهتر صورت می گیرد. نانو صفحات مکسین به دلیل برخورداری از ساختار متخلخل دارای بستری مطلوب برای شکل گیری نیروهای الکترواستاتیک و نیرو های واندر والسی میان مولکول های CO2 و سطح نانو صفحات می باشند که عملکرد آنها را در جذب CO2 تقویت می نماید. علاوه بر این، قابلیت تشخیص CO2 از سایر مولکول ها (Sensing) برای ماده جاذب از اهمیت بالایی برخوردار می است. از آنجایی نانو صفحات مکسین قابلیت ایجاد اندرکنش های قوی میان مولکول های CO2 را دارا بوده و نیز هدایت الکتریکی بالایی دارند بنابراین می توان گفت که این مواد Sensor های قوی دی اکسید کربن نیز می باشند.
- خواص الکترونیکی: سطح ویژه بالای نانو صفحات مکسین باعث شده است تا این مواد قابلیت اصلاح سطح پذیری مطلوبی برخوردار باشند که این موضوع به تقویت خواص الکترونیکی آنها کمک می کند؛ و تقویت خواص الکترونیکی برابر است با بهبود عملکرد نانو صفحات در جذب CO2. سطح نانو صفحات مکسین را می توان با گروه هیدروکسیل (-OH) اصلاح نمود و از این طریق ساختار الکترونیکی نانو صفحات را برای جذب بهتر مولکول های CO2 تقویت کرد.
- خواص فوتوکاتالیستی: نانو صفحات مکسین به علت برخورداری از سطح ویژه بالا، هدایت الکتریکی بالا و تعداد مکان های فعال (Active Sites) فراوان دارای رفتار فوتوکاتالیستی مطلوبی می باشند. این ویژگی کمک می کند تا نانو صفحات مکسین قابلیت تبدیل مولکول های CO2 به سوخت های خورشیدی (Solar Fuels) را از طریق فرآیند فوتوکاتالیستی داشته باشند. این قابلیت امکان حذف دی اکسید کربن و تبدیل کردن آن به ماده ای ارزشمند را فراهم می آورد.
جذب و کنترل دی اکسید کربن (co2)
جذب دی اکسید کربن به سه روش انجام می شود که به شرح زیر است:
- جذب پیش از احتراق: در این روش پیش از اینکه کربن موجود در سوخت در حین احتراق تبدیل به CO2 شود توسط ماده جاذب حذف می گردد. میزان کاهش CO2 در این روش بالاتر از سایر روش ها می باشد.در این روش سوخت از یک غشای حاوی نانو صفحات مکسین عبور داده شده و کربن موحود در سوخت توسط نانو صفحات جداسازی می گردد.
- جذب پس از احتراق: در این روش، زمانیکه احتراق سوخت صورت گرفت گاز دی اکسید کربن تولید شده توسط ماده جاذب حذف می گردد. در این تکنیک، جریان گاز حاوی CO2 از غشایی که حاوی نانو صفحات مکسین می باشد عبور داده می شود تا مولکول های CO2 در حین عبور توسط نانو صفحات جذب شده و ازجریان گاز جدا گردند.
- جذب به روش تسخیر مستقیم هوا (Direct Air Capture – DAC): در این روش، هوای محیط توسط دستگاهی مکیده شده و سپس به کمک نانو صفحات مکسین دی اکسید کربن موجود در هوا جداسازی و ذخیره می گردد. علی رغم اینکه غلظت CO2 موجود در هوا نسبت به جریانات گازی حاصل از احتراق سوخت در کارخانجات و نیروگاه ها کمتر است، میزان انرژی و هزینه صرف شده برای حذف دی اکسید کربن نسبت به دو روش قبلی بیشتر می باشد.
تا بحال بیش از 40 نانو صفحه مکسین با ترکیبات شیمیایی متنوع سنتز و معرفی شده اند. نتایج مطالعات گوناگونی که تا امروز روی این نانو مواد صورت گرفته نشان داده اند که نانو صفحات مکسین عملکرد و بازدهی قابل توجهی در حذف CO2 داشته اند. علاوه بر این، مطالعات تکمیلی روی سنتز این نانو مواد جدید در مقیاس صنعتی صورت گرفته که نتایج بدست آمده نشان دهنده این است که این مواد قابلیت تولید انبوه را دارا می باشند. با توجه به نتایج به دست آمده از عملکرد نانو صفحات مکسین و قابلیت تولید انبوه آنها می توان گفت که ظهور این نانو مواد جدید دستاورد بزرگی در راستای حذف و کنترل دی اکسید کربن با هزینه پایین و بازدهی بالا می باشد.
منابع:
