تحويل الكربون والجلسرين لمنتج صناعي هام.. في 28 ثانية
تاريخ النشر: 14th, February 2024 GMT
في وقت أصبحت الآثار الضارة للمواد البلاستيكية غير القابلة للتحلل واضحة على البيئة والصحة، تتزايد الرغبة في البحث عن بدائل قابلة للتحلل، وفي مقدمتها البوليمرات الصديقة للبيئة التي تلعب "كربونات الجلسرين" دورا محوريا في تطويرها.
وإلى جانب هذه الوظيفة، فإن هذه المادة تُستخدم بشكل شائع كمحفز ومذيب ووسيط في العديد من الصناعات، مثل صناعة الأدوية ومستحضرات التجميل ومنتجات العناية الشخصية، كما تستخدم في تصنيع مجموعة واسعة من المنتجات الصديقة للبيئة، بما في ذلك المذيبات الحيوية والراتنجات الحيوية ومواد التشحيم الحيوية.
وتتوقع تقديرات تزايد الطلب على تلك المادة من 246.27 مليون دولار أميركي في عام 2022، إلى 402.15 مليون دولار أميركي عام 2032، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 5.6%.
ولأن عملية التصنيع التقليدي لتلك المادة معقدة وتحتاج إلى خطوات كثيرة مستهلِكة للطاقة، سعى فريق بحثي من مركز التكنولوجيا المتكاملة والتوليف العضوي بجامعة لييج ببلجيكا، إلى توفير طريق سهلة لإنتاجها، وأعلنوا في دراسة نشرت بدورية "أنجيواندتي كيمي" عن نجاح إنتاجها باستخدام ثاني أكسيد الكربون، ومنتج ثانوي لإعادة تدوير زيت الطهي هو"الجلسرين"، وذلك خلال 28 ثانية فقط، وفي ظروف تفاعل أقل استهلاكا للطاقة (ضغط 10 بارات، ودرجة حرارة 140 درجة مئوية).
ظروف تفاعل قاسية.. مخاطر السلامةوتقليديا، يُصنع "كربونات الجلسرين" من خلال عمليات التخليق الكيميائي التي تنطوي على تفاعل الجلسرين مع غاز الفوسجين أو مشتقات اليوريا، وتتطلب هذه الطريقة عادة ظروف تفاعل قاسية تستغرق وقتا طويلا، ويمكن أن تولّد منتجات ثانوية خطرة. وتمر بعدة خطوات هي:
أولا- تحضير المواد المتفاعلة: فالجلسرين هو المادة الأولية لإنتاج كربونات الجلسرين، وتعمل مشتقات الفوسجين أو اليوريا مثل كربونات ثنائي الميثيل أو كربونات الإيثيلين، كمصدر لـ"الكربونيل" في التفاعل. ثانيا- التفاعل: يتفاعل الجلسرين مع مشتقات الفوسجين أو اليوريا تحت ظروف تخضع للرقابة وعادة في وجود محفز، لإنتاج كربونات الجلسرين. ثالثا- الفصل والتنقية: بعد التفاعل يُخضع خليط كربونات الجلسرين الخام إلى عمليات فصل وتنقية لإزالة الشوائب والمنتجات الثانوية، ويتضمن هذا غالبا تقنيات التقطير أو البلورة أو الكروماتوغرافيا. رابعا- استرداد المنتج: يجري استرداد كربونات الجلسرين المنقاة من خليط التفاعل وتعالج أو تصاغ وفقا للتطبيق المقصود.وتعاني هذه الطريقة التقليدية للإنتاج من قيود، تتمثل في الاستهلاك العالي للطاقة، والمخاوف البيئية بسبب استخدام الكواشف السامة، ومخاطر السلامة المرتبطة بالتعامل مع غاز الفوسجين.
وفي المقابل، تَستخدم الطريقة المبتكرة الموضحة في الدراسة التي أعدها الباحثون بجامعة لييج ببلجيكا، ثاني أكسيد الكربون والجلسرين كمواد أولية، مما يسلط الضوء على نهج أكثر استدامة وكفاءة لتخليق كربونات الجلسرين، وبذلك فإن هذه العملية تمثل تقدما في الكيمياء الخضراء وتوفر مزايا محتملة، مثل تقليل التأثير البيئي وتحسين السلامة.
ويشتق الجلسرين بشكل أساسي من صناعة وقود الديزل الحيوي، وإعادة تدوير زيت الطهي، ويكتسب قيمة اقتصادية عندما يدخل في صناعة "كربونات الجلسرين"، ولكنه في التفاعل الجديد سيدخل مع العدو الأول للبيئة، وهو ثاني أكسيد الكربون، لإنتاج هذه المادة خلال 28 ثانية.
وتمر عملية الإنتاج بعده خطوات:
أولا- تحضير المواد المتفاعلة: فيُستخدم الجلسرين -وهو منتج ثانوي لصناعة وقود الديزل الحيوي وإعادة تدوير زيت الطهي- كأحد المواد المتفاعلة الأساسية، وإضافة إلى ذلك يُستخدم ثاني أكسيد الكربون وهو ملوث صناعي. ثانيا- الاندماج في وجود المحفز: يُدمج الجلسرين -وتحديدا مشتقاته "الغليسيدول"- مع ثاني أكسيد الكربون في وجود محفز عضوي. ثالثا- التفاعل الكيميائي: يحدث تفاعل التكثيف بين الغليسيدول وثاني أكسيد الكربون تحت ظروف الموائع المتوسطة (الموائع هي اﻟﻤﻮاد اﻟﺘﻲ ﺗﺘﻤﯿﺰ ﺑﻘﺪرﺗﮭﺎ ﻋﻠﻲ اﻻﻧﺴﯿﺎب)، ويتم تسهيله بواسطة المحفز العضوي. رابعا- تكوين كربونات الجلسرين: يؤدي التفاعل إلى تكوين كربونات الجلسرين، وتستغرق العملية بدءا من دمج المواد المتفاعلة وحتى تكوين المادة نحو 28 ثانية، مما يشير إلى طريقة إنتاج سريعة وفعالة.ومن جانبه، عبر الفريق البحثي بمركز التكنولوجيا المتكاملة والتوليف العضوي بجامعة لييج ببلجيكا، عن سعادته بالتوصل إلى هذه الطريقة السريعة في الإنتاج، والتي تستخدم منتجا ثانويا لإعادة تدوير زيت الطعام وهو "الجلسرين"، وملوثا رئيسيا للبيئة يتم تحميله جانبا من المسؤولية عن أزمة تغير المناخ وهو ثاني أكسيد الكربون.
وفي بيان أصدرته الجامعة يقول الأستاذ بمركز التكنولوجيا المتكاملة والتوليف العضوي والباحث الرئيسي بالدراسة جان كريستوف مونبالي: "أتصور أن طريقة الإنتاج السريعة والصديقة للبيئة، ووفرة الخامات المستخدمة في الصناعة، سيفتح آفاقاً غير مسبوقة للتصنيع الكثيف لتلك المادة التي تتزايد استخداماتها يوما بعد آخر".
وتُستخدم الكربونات البترولية مثل كربونات الإيثيلين والبروبيلين، كناقلات إلكتروليت رئيسية في بطاريات الليثيوم، وحدّت عمليات الإنتاج الحالية البطيئة والمكلفة لإنتاج كربونات الجلسرين من استخدامها على نطاق واسع لهذه الوظيفة. لكن مونبالي يعتقد أنهم نجحوا في حل تلك المشكلة.
وتُستخدم بطاريات الليثيوم في العديد من الأجهزة والتطبيقات الإلكترونية، بما في ذلك الإلكترونيات الاستهلاكية مثل الهواتف الذكية وأجهزة الحاسوب المحمولة والأجهزة اللوحية، كما تُستخدم في المركبات الكهربائية والمركبات الكهربائية الهجينة، وأنظمة تخزين الطاقة مثل أنظمة تخزين الطاقة الشمسية، وفي تطبيقات الفضاء الجوي مثل الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية، وكذلك في المعدات العسكرية، وتستخدم أيضا في الأجهزة الطبية المحمولة مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب ومضخات الأنسولين ومكثفات الأكسجين المحمولة.
وبسبب هذا التنوع الكبير لاستخدامات بطاريات الليثيوم، فإن "كربونات الجلسرين" أمامها فرص واعدة، وبات اقتناصها أكثر سهولة بعد طريقة إنتاجها الأوفر والأسرع التي توصّل لها الفريق البحثي، كما يقول أستاذ الكيمياء بجامعة الزقازيق المصرية خالد علام.
لكن علام يشدد في حديث هاتفي مع "الجزيرة نت"، على أن هناك نقطتين ينبغي الإجابة عليهما في دراسات لاحقة للتأكد من أن المنتج قابل للتطبيق، وهما:
أولا: قابلية التوسع والتصنيع، فبينما توضح الدراسة كفاءة إنتاج كربونات الجلسرين على نطاق تجريبي، هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتقييم قابلية التوسع في العملية للإنتاج الصناعي على نطاق كبير، ويشمل ذلك اعتبارات مثل تصميم المفاعل، ومعدل الإنتاج، واستهلاك الطاقة، وفعالية التكلفة. ثانيا: توصيف الجودة، وتعني تقييم نقاء المنتج واستقراره وأدائه، بالإضافة إلى تحديد وقياس أي شوائب أو منتجات ثانوية.المصدر: الجزيرة
كلمات دلالية: ثانی أکسید الکربون بطاریات اللیثیوم ت ستخدم
إقرأ أيضاً:
كيف يمكن التخلص من الكربون؟ دفنه قد يكون حلا
تشير الدراسات إلى أنه ينبغي خفض انبعاثات غازات الدفيئة في الغلاف الجوي بنسبة تراوح بين 80 و90% لتحقيق الاستقرار المناخي، ومع ذلك ستبقى خطورة مليارات الأطنان من غاز ثاني أكسيد الكربون -التي ينبغي إزالتها من الغلاف الجوي سنويا حتى 2050- هي ما يستوجب حلولا خلاقة.
ويعد التخفيض من ثاني أكسيد الكربون مصدر قلق بالغ لمن يسعون إلى مناخ مستقر على الكوكب، وإذا كان ذلك متاحا عبر التخفيض في مصدر الانبعاثات والأنشطة البشرية والعوامل الطبيعية، فتبرز محاولات أخرى من بينها امتصاص الكربون ودفنه تحت سطح الأرض.
اقرأ أيضا list of 4 itemslist 1 of 4ما غازات الدفيئة؟ وكيف تغير المناخ على الكوكب؟list 2 of 4"احتكار الغلاف الجوي".. ما ديون المناخ؟ وبكم تقدر؟list 3 of 4هل تصبح جبال الأرض مصدرا لوقود المستقبل؟list 4 of 4منكرو تغير المناخ يروجون دراسة أنجزها ذكاء اصطناعي تابع لإيلون ماسكend of listوناقشت دراسة -نشرت في موقع "تطوير علوم الأرض والفضاء"- إمكانية
تخزين ثاني أكسيد الكربون تحت الأرض أو ما يسمى "الحجز الجيولوجي لثاني أكسيد الكربون".
وتقوم العملية على حقن كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون في تكوينات جوفية بهدف التخزين الدائم، وتُعد هذه العملية أساسية في تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي ودعم التحول بمجال الطاقة، حسب الدراسة.
وبعد عملية الحقن يتحد ثاني أكسيد الكربون مع المياه (المحلول الملحي) ويبقى محاصرا بثبات في التكوين، مما يمنع تسربه إلى الغلاف الجوي. ويعتمد ذلك على الديناميكيات المتعلقة بخصائص السوائل والصخور، ومورفولوجيا التكوين.
إعلانوتشير الدراسة إلى أن ثاني أكسيد الكربون لا يختفي ببساطة بمجرد ضخه تحت سطح الأرض، بل يشغل مساحات في الصخور الجوفية ويختلط بالمياه الجوفية، وهي عملية تبدو أكثر تعقيدا مما عليه للوهلة الأولى.
ويتساءل العديد من العلماء عما إذا كان من الممكن أن يعود الماء إلى السطح بعد عقود من الزمن، فكثافة ثاني أكسيد الكربون النقي أقل من كثافة الماء، ولكن الوضع يتغير عندما يذوب ثاني أكسيد الكربون في الماء.
وتشير التجارب التي قامت عليها الدراسة إلى أنه بمجرد ذوبان ثاني أكسيد الكربون في الماء، يصبح السائل الناتج أكثر كثافة من الماء وحده.
والكثافة عامل حاسم في تفاعل السوائل تحت الأرض، فعندما تكون المياه الغنية بالكربون أثقل، تميل إلى التحرك نحو الأسفل بدلا من الطفو إلى السطح،
وتخلف هذه الحركة الداخلية الغارقة طبقات من السوائل تبقى مختبئة تحت الأرض، مما يعني أن التخزين يمكن أن يكون أكثر من مجرد حل مؤقت.
ويعتقد المسؤولون المعنيون بالسياسات البيئية أن هذه العملية القائمة على الكثافة فرصة حقيقية لإبقاء ثاني أكسيد الكربون محصورا تحت طبقات الصخور، مما يسهم في الحد من التسربات التي قد تُهدد الأهداف المناخية طويلة الأجل.
ومع ذلك، تشير الدراسة إلى أنه ليست كل المواقع مناسبة لتخزين ثاني أكسيد الكربون، ويجب أن تكون هناك طبقة صخرية سميكة نسبيا فوق طبقة تخزين المياه الجوفية. ويعد الغطاء السميك والآمن أمرا حيويا للحفاظ على ثاني أكسيد الكربون في مكانه حتى يذوب تماما ويبدأ النزول إلى الأسفل.
ويشير ماركو دي باولي، الأستاذ جامعة توينتي في إنسخيده بهولندا والمشارك بالدراسة، إلى أن مثل هذه الظروف الجيولوجية ليست نادرة، فهناك العديد من المواقع التي تستوفي هذه المعايير بالفعل، بما في ذلك المناطق الواقعة تحت قاع المحيط. ويقترح بعض الخبراء حقول النفط المهجورة والمياه الجوفية المالحة باعتبارها مواقع واعدة.
إعلانوطرحت الدراسة كيفية تفاعل الصخور نفسها عندما تتسلل المياه المحملة بالكربون عبر قنواتها الصغيرة، فبعض الصخور قادرة على الذوبان أو التحول كيميائيا، مما يُنشئ قنوات تسرب جديدة. بينما تبقى صخور أخرى سليمة وتغلق الماء المحمل بالكربون بإحكام أكبر.
وقد استخدم الباحثون تقنيات متقدمة لمعرفة ما إذا كانت هذه التغيرات الكيميائية تُقوي بنية الصخور أم تُضعفها، بهدف تجنب المفاجآت التي قد تُعيق خطة التخزين الدائم.
ويدرس العلماء تصميم أساليب حقن تُرسل ثاني أكسيد الكربون مباشرة إلى المنطقة المثالية، حيث يلتقي ويندمج مع المياه الجوفية، ثم يستقر السائل الأثقل في أعماق أكبر، بعيدا عن الشروخ المحتملة.
وقد نجحت فعليا البرامج القائمة في أماكن مثل حقل "سليبنر" في بحر الشمال في حقن ملايين الأطنان من ثاني أكسيد الكربون، وتشير عمليات المراقبة طويلة الأمد هناك إلى أنه إذا تم ذلك بشكل صحيح، فإن الكربون سيبقى في مكانه ويتحول تدريجيا إلى مناطق مستقرة.
وبمجرد ذوبان الكربون يقل عمليا احتمال انزلاقه إلى الهواء -حسب الدراسة- وتصبح الطبقة الصخرية السفلية أقل أهمية بمجرد نزول الخليط الثقيل إلى الأسفل، وحتى حتى الهزات القوية قد لا تؤدي إلى دفع السائل إلى السطح.
ويشكل الجانب المتعلق بالسلامة السبب الرئيسي وراء رغبة العديد من العلماء في مواصلة استكشاف آفاق تخزين ثاني أكسيد الكربون بشكل دائم تحت الأرض. وتشير الحسابات إلى وجود فرص واسعة النطاق لالتقاط كميات كبيرة من الكربون والاحتفاظ بها بمرور الوقت، رغم أن ذلك يختلف من موقع إلى آخر.
وقد تسهم هذه الدراسة في تحسين خطط تخزين الكربون المستقبلية، فإذا عرف العلماء بدقة كيفية اختلاط السوائل على أعماق مختلفة، فسيتمكنون من توسيع نطاق التصاميم بثقة، باستخدام أساليب قائمة على البيانات الدقيقة.
إعلانوعام 2024، شهدت مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أسرع زيادة سنوية على الإطلاق، بحوالي 3.58 أجزاء في المليون، ويتطلب وقف ظاهرة الاحتباس الحراري العالمي التوقف التام عن مراكمة الغازات المسببة له في الغلاف الجوي، ثم بدء تقليصها.
النفط يرتفع 1% بعد تكهنات إجراء محادثات أمريكية - صينية