تحويل النفايات البلاستيكية إلى وقود هيدروجيني منخفض التكلفة
مع تزايد وضوح تأثيرات أزمة المناخ المستمرة والتحديات البيئية مثل التلوث وتدهور النظام البيئي، أصبحت الحاجة إلى حلول مبتكرة تعالج هذه القضايا المعقدة على جبهات متعددة أكثر إلحاحًا.
في دراسة حديثة نُشرت في مجلة Advanced Materials ، قام باحثون بقيادة بوريس ياكوبسون وجيمس تور من قسم علوم المواد وهندسة النانو في جامعة رايس بالولايات المتحدة بفعل ذلك باستخدام تقنية جديدة تعمل على تحويل نفايات البلاستيك إلى غاز هيدروجين نظيف ومركبات عالية الكربون. نقاء الجرافين دون أي ثاني أكسيد الكربون (CO 2 ).
“ماذا لو حولنا نفايات البلاستيك إلى شيء أكثر قيمة بكثير من البلاستيك المعاد تدويره، وفي الوقت نفسه قمنا بالاحتفاظ بالهيدروجين المحتجز في الداخل؟” سأل كيفن ويس، الكيميائي في شركة SLB (المعروفة سابقًا باسم شلمبرجير) والذي أكمل المشروع كجزء من رسالة الدكتوراه. أُطرُوحَة.
أدت هذه الفكرة إلى حل تحويلي لا يخفف الضرر البيئي فحسب، بل يستغل أيضًا القيمة غير المستغلة من مواد النفايات التي تنطوي على مشاكل.
الرغبة في الهيدروجين
يبرز الهيدروجين كمصدر وقود نظيف وجذاب نظرًا لقدرته على إنتاج طاقة كبيرة لكل وحدة وزن مع توليد الماء كناتج ثانوي وحيد له.
وقال ويس : “وهذا ما يجعلها مستدامة أو “خضراء” مقارنة بالغاز أو الفحم أو الوقود النفطي الحالي، الذي ينبعث منه الكثير من ثاني أكسيد الكربون ” . “وعلى عكس البطاريات أو مصادر الطاقة المتجددة، يمكن تخزين الهيدروجين وإعادة تزويده بالوقود بسرعة دون الانتظار لساعات للشحن. ولهذا السبب، يفكر العديد من مصنعي السيارات في التحول إلى وقود الهيدروجين.
وفي عام 2021، وصل الاستهلاك العالمي للهيدروجين إلى رقم مذهل قدره 94 مليون طن ، ومن المتوقع أن يرتفع الطلب في العقد المقبل. ومع ذلك، تكمن المعضلة في حقيقة أنه على الرغم من سمعة الهيدروجين كوقود أخضر، فإن الطريقة السائدة لإنتاج الهيدروجين لا تزال تعتمد على الوقود الأحفوري من خلال عملية تسمى إعادة تشكيل الميثان بالبخار، وهي ليست كثيفة الاستهلاك للطاقة فحسب، ولكنها تؤدي إلى انبعاث ثاني أكسيد الكربون . الانبعاثات كمنتج ثانوي. وقال ويس : “في الواقع، مقابل كل طن من الهيدروجين الذي يتم تصنيعه صناعياً في الوقت الحالي، يتم إنتاج 10 إلى 12 طناً من ثاني أكسيد الكربون”.
البديل الناشئ هو إنتاج غاز الهيدروجين من خلال عملية تعرف باسم التحليل الكهربائي ، حيث يتم تقسيم الماء إلى العناصر المكونة له باستخدام الكهرباء. وفي حين أن مصدر الكهرباء يمكن أن يكون متجددًا، مثل الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح أو الطاقة الحرارية الأرضية، فإن ضمان ذلك لا يزال يمثل تحديًا. وتتطلب هذه العمليات أيضًا مواد إضافية، مثل المواد الحفازة، وتكلف حوالي 3-5 دولارات أمريكية لكل كجم من الهيدروجين، مما يجعل من الصعب التنافس مع عملية الإصلاح بتكلفة تصل إلى 2 دولار أمريكي لكل كجم.
وقال ويس : “يمكنك أن ترى لماذا نحتاج إلى طرق لإنتاج الهيدروجين بطريقة فعالة ومنخفضة التكلفة ولا تنتج كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون “ .
المشكلة مع البلاستيك ووقود الهيدروجين
وأوضح ويس أن التحديات التي يفرضها تلوث النفايات البلاستيكية وإنتاج الهيدروجين منخفض الكربون هي مشاكل نجح العلماء في معالجتها منذ عقود.
“في حالة التلوث بالنفايات البلاستيكية، نحن نعرف كيفية إعادة تدوير البلاستيك – المشكلة تكمن في حقيقة أن إعادة التدوير مكلفة للغاية، مع ارتفاع تكاليف فصل أنواع البلاستيك يدويًا، وغسل النفايات، ثم إعادة صهر البوليمرات، ” هو قال. “ونتيجة لذلك، غالبًا ما تكلف المواد البلاستيكية المعاد تدويرها أكثر من تكلفة المواد البلاستيكية الجديدة، لذلك لا يوجد حافز اقتصادي لإعادة التدوير، وبالتالي لا يزال التلوث يمثل مشكلة بعد عقود من الزمن.
“في حالة إنتاج الهيدروجين، نحن نعرف كيفية صنع وقود الهيدروجين دون إنتاج ثاني أكسيد الكربون ، لكنه أغلى مرتين إلى ثلاث مرات من الطرق التي تنتج الهيدروجين بكمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون . ”
ومن ثم، فإن التحدي الحقيقي لا يكمن في حل هذه المشكلات، بل في إيجاد طرق لتقليل تكلفة حلولها، وهو التحدي الذي يواجهه فيس وزملاؤه بشكل مباشر.
يعمل تسخين فلاش جول على تكسير المواد البلاستيكية
يستخدم أسلوبهم تسخين الجول السريع، وهي تقنية متطورة لتسخين المواد بسرعة إلى درجات حرارة عالية للغاية. ولتحقيق ذلك، يتم تمرير تيار كهربائي عبر مادة ذات مقاومة كهربائية، والتي تحول الكهرباء بسرعة إلى حرارة، وتحقق درجات حرارة تصل إلى آلاف الكلفن في ثوانٍ معدودة.
وقال : “نقوم بتفريغ التيار من خلال عينة البلاستيك، مع إضافة كمية صغيرة من الرماد لجعلها موصلة، ونصل إلى درجات حرارة تصل إلى 2500 درجة مئوية خلال عُشر ثانية، قبل أن تبرد العينة مجددًا خلال ثوانٍ قليلة”. ويس. “يعيد هذا التسخين السريع تنظيم الروابط الكيميائية في البلاستيك – حيث تتحول ذرات الكربون الموجودة في البلاستيك إلى روابط [كربون-كربون] في الجرافين، وتتحول ذرات الهيدروجين إلى [غاز] H2 . ”
وتابع: “تعمل هذه العملية على إعادة تدوير النفايات البلاستيكية بكفاءة عالية دون استخدام أي محفز أو مذيبات أخرى”. “بمجرد خضوع المواد البلاستيكية لدينا للتفاعل، نحصل أيضًا على الجرافين النقي الثمين ، الذي يستخدم لتقوية السيارات، والأسمنت، أو حتى صنع الإلكترونيات المرنة وشاشات اللمس، والذي تبلغ قيمته حاليًا 60.000 إلى 200.000 دولار للطن.”
يقول ويس إن مختبره في جامعة رايس كان يعمل على التسخين الوميضي للجول على مدى السنوات الخمس الماضية، لكن تركيزهم الرئيسي كان في السابق على صنع الجرافين من البلاستيك. لكنه يقول إنهم، بعد مرور بعض الوقت، أدركوا أن العديد من البوليمرات البلاستيكية تحتوي أيضًا على الهيدروجين الذري. “إذا انتهى بنا الأمر إلى الجرافين، وهو عبارة عن كربون نقي بنسبة 100%، فأين سيذهب كل الهيدروجين الذري الموجود في البلاستيك؟” سأل.
لذلك شرعوا في محاصرة ودراسة الغازات المتطايرة المنبعثة أثناء عملية التسخين الوميضي، ولدهشتهم اكتشفوا أنهم قاموا بتحرير ما يقرب من 93٪ من الهيدروجين الذري وكانوا قادرين على استعادة ما يصل إلى 64٪ منه على شكل هيدروجين نقي – وهو ما ينتج عنه يمكن مقارنتها بالطرق الصناعية الحالية التي تنبعث منها كميات من ثاني أكسيد الكربون تزيد بمقدار خمسة إلى ستة أضعاف .
“تنتج طريقتنا كميات أقل بنسبة 84% من ثاني أكسيد الكربون والغازات الدفيئة لكل طن من الهيدروجين المنتج، مقارنة بالطريقة الصناعية الشائعة الحالية لإصلاح غاز الميثان بالبخار، […] وتستخدم طاقة أقل من طرق إنتاج الهيدروجين “الخضراء” الحالية، مثل التحليل الكهربائي، ” قال ويس.
جائزة بيئية عالمية
يتماشى هذا مع جائزة Earthshots وهي جائزة بيئية عالمية تُمنح لخمسة فائزين كل عام لمساهماتهم في مجال حماية البيئة. التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية، والتي تم تصميمها على غرار “تحدي Moonshot” التاريخي، والذي كان يهدف إلى إرسال رجل إلى القمر في الستينيات. وعلى نحو مماثل، تسعى مبادرة “إيرث شوت” إلى تعبئة الموارد والإبداع لتحقيق أهداف بيئية طموحة.
تهدف هذه الأهداف إلى أن تكون قابلة للتطوير وقابلة للتحقيق ومصممة لمعالجة القضايا الحاسمة المتعلقة بتغير المناخ وفقدان التنوع البيولوجي والتلوث والأزمات البيئية الأخرى. وكتبوا على الموقع الإلكتروني: “إن أزمة المناخ تدعو إلى نوع مختلف من النجاح”. “ستعمل مبادرة Earthshots للطاقة [مثل Hydrogen Shot] على تسريع وتيرة التقدم في حلول الطاقة النظيفة الأكثر وفرة والميسورة التكلفة والموثوقة خلال العقد المقبل.”
الهدف هو جعل تكلفة 1 كجم من الهيدروجين النظيف تبلغ دولارًا أمريكيًا واحدًا خلال العقد القادم، حيث يتم تعريف الهيدروجين النظيف على أنه أي منتج يتم إنتاجه باستخدام أقل من 4 كجم من ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي.
قال ويس: “لقد أظهر بحثنا أنه يمكننا القيام بذلك الآن، إذا تم توسيع نطاق عملية [التسخين الوميضي]، وتحويل النفايات البلاستيكية إلى هيدروجين وجرافين نظيفين”. “في الوقت الحالي، يؤدي 95% من الهيدروجين المنتج عالميًا إلى إنتاج 10-12 كجم من ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي. تنتج عمليتنا ما لا يقل عن 1.8 كجم من ثاني أكسيد الكربون لكل كجم من الهيدروجين.
وقبل أن يحدث هذا، يعترف ويس بأن التوسع لا يزال يمثل مشكلة. وبما أن الهيدروجين غاز قابل للاشتعال، فإن التقاطه وتنقيته بشكل آمن يتطلب بعض التخطيط والهندسة الدقيقة. لكن ويس يأمل أن يتم تحقيق ذلك.
وقال ويس : “لقد بدأت شركة تدعى Universal Matter منذ ثلاث سنوات لتوسيع نطاق عملية تسخين الجول الوميضي لإنتاج الجرافين”. “في ذلك الوقت القصير، [لقد] انتقلوا من مستويات جرام يوميًا إلى إنتاج طن يوميًا من الجرافين. لذلك، نحن متفائلون جدًا بإمكانية توسيع نطاق طريقة إنتاج الهيدروجين هذه بنجاح لأن المبادئ الأساسية متطابقة.
