جهاز تنقية ثاني أكسيد الكربون

📅 آخر تحديث: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣٠ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

جهاز تنقية ثاني أكسيد الكربون

جهاز تنقية ثاني أكسيد الكربون هو جهاز يمتص ثاني أكسيد الكربون (CO2 ) . يُستخدم لمعالجة غازات العادم من المصانع أو من هواء الزفير في أنظمة دعم الحياة مثل أجهزة إعادة التنفس ، أو في المركبات الفضائية والغواصات والحجرات المحكمة الإغلاق . كما تُستخدم أجهزة تنقية ثاني أكسيد الكربون في تخزين الغازات في جو مُتحكم به ، وفي عمليات احتجاز الكربون وتخزينه . يحتوي بعضها على عبوة ماصة .

التنظيف بالأمين

تستخدم أجهزة تنقية الأمينات أنواعًا مختلفة من الأمينات العضوية ، مثل أحادي إيثانول أمين . ترتبط المحاليل الباردة لهذه المركبات العضوية بثاني أكسيد الكربون ، ولكن هذا الارتباط ينعكس عند درجات حرارة أعلى.

CO 2 + 2 HOCH2 قناة2 NH2 ↔HOCH2 قناة2 NH + 3 +HOCH2 قناة2 NHCO − 2

اعتبارًا من عام 2009لم تُطبَّق هذه التقنية إلا بشكل محدود في محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم نظرًا لتكاليف رأس المال اللازمة لتركيب المنشأة وتكاليف تشغيلها. [ 1 ] ومع ذلك، فقد استُخدمت هذه التقنية كجزء أساسي من التحكم في الغلاف الجوي في الغواصات النووية منذ أواخر الخمسينيات.

المعادن والزيوليت

ترتبط العديد من المعادن والمواد الشبيهة بالمعادن بثاني أكسيد الكربون بشكل عكسي . [ 2 ] في أغلب الأحيان، تكون هذه المعادن أكاسيد أو هيدروكسيدات، وغالبًا ما يرتبط ثاني أكسيد الكربون على شكل كربونات. يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الجير الحي (أكسيد الكالسيوم) لتكوين الحجر الجيري ( كربونات الكالسيوم )، [ 3 ] في عملية تُسمى حلقة الكربونات . تشمل المعادن الأخرى السربنتينيت ، وهو هيدروكسيد سيليكات المغنيسيوم ، والأوليفين . [ 4 ] [ 5 ] تعمل المناخل الجزيئية أيضًا بهذه الوظيفة.

تم اقتراح العديد من عمليات التنقية (الدورية) لإزالة ثاني أكسيد الكربون من الهواء أو غازات المداخن وإطلاقه في بيئة مُحكمة، مع إعادة تدوير عامل التنقية. تعتمد هذه العمليات عادةً على استخدام نوع مُعدّل من عملية كرافت ، والتي قد تستخدم هيدروكسيد الصوديوم . [ 6 ] [ 7 ] يُمتص ثاني أكسيد الكربون في هذا المحلول، ثم ينتقل إلى الجير (عبر عملية تُسمى التكليس)، ويُطلق مرة أخرى باستخدام فرن . مع بعض التعديلات على العمليات الحالية (وخاصةً استبدال الفرن بآخر يعمل بالأكسجين )، يصبح العادم الناتج تيارًا مُركزًا من ثاني أكسيد الكربون ، جاهزًا للتخزين أو الاستخدام في الوقود. يُعدّ التحليل الكهربائي بديلاً لهذه العملية الكيميائية الحرارية، حيث يُطلق ثاني أكسيد الكربون من خلال التحليل الكهربائي لمحلول الكربونات. [ 8 ] على الرغم من بساطته، إلا أن هذه العملية الكهربائية تستهلك طاقة أكبر لأن التحليل الكهربائي يُحلل الماء أيضًا . استخدمت التطبيقات الأولى لالتقاط ثاني أكسيد الكربون بدافع بيئي الكهرباء كمصدر للطاقة، وبالتالي كانت تعتمد على الطاقة النظيفة. تستخدم بعض أنظمة احتجاز ثاني أكسيد الكربون الحرارية الحرارة المتولدة في الموقع، مما يقلل من أوجه القصور الناتجة عن إنتاج الكهرباء خارج الموقع، ولكنها لا تزال بحاجة إلى مصدر للحرارة (الخضراء) ، والتي يمكن أن توفرها الطاقة النووية أو الطاقة الشمسية المركزة . [ 9 ]

هيدروكسيد الصوديوم

حدد زيمان ولاكنر طريقة محددة لالتقاط الصور من الجو. [ 10 ]

أولاً، يتم امتصاص ثاني أكسيد الكربون بواسطة محلول هيدروكسيد الصوديوم القلوي لإنتاج كربونات الصوديوم المذابة . تفاعل الامتصاص هو تفاعل غازي سائل، طارد للحرارة بشدة، كما يلي:

2NaOH(aq) + CO 2 (g) → Na2 CO3 (aq) +H 2 O(l)
نا2 CO3 (aq) +Ca(OH)2 (صلب) → 2NaOH(مائي) +CaCO33 (s)
ΔH° = −114.7 kJ/mol

تُجرى عملية التكليس على نطاق واسع في صناعة اللب والورق ، حيث تنقل بسهولة 94% من أيونات الكربونات من الصوديوم إلى أيون الكالسيوم. [ 10 ] بعد ذلك، يُرشح راسب كربونات الكالسيوم من المحلول ويُحلل حراريًا لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون . يُعد تفاعل التكليس التفاعل الوحيد الماص للحرارة في هذه العملية، وهو موضح هنا:

كربونات الكالسيوم3 (s) → CaO(s) + CO2(g)
ΔH° = +179.2 كيلوجول/مول

تُجرى عملية التحلل الحراري للكالسيت في فرن جير يعمل بالأكسجين لتجنب خطوة فصل الغازات الإضافية. وتُكمل عملية إماهة الجير (CaO) الدورة. تُعدّ إماهة الجير تفاعلاً طارداً للحرارة، ويمكن إجراؤه باستخدام الماء أو البخار. عند استخدام الماء، يكون التفاعل بين حالتي السائل والصلب كما هو موضح هنا:

CaO(s) + H 2 O (l) → Ca(OH)2 (s)
ΔH° = −64.5 kJ/mol

هيدروكسيد الليثيوم

تستطيع قواعد قوية أخرى ، مثل الجير الصوداوي ، وهيدروكسيد الصوديوم ، وهيدروكسيد البوتاسيوم ، وهيدروكسيد الليثيوم ، إزالة ثاني أكسيد الكربون من خلال التفاعل الكيميائي معه. وقد استُخدم هيدروكسيد الليثيوم تحديدًا على متن المركبات الفضائية ، كما في برنامج أبولو ، لإزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي، حيث يتفاعل معه لتكوين كربونات الليثيوم . [ 11 ] ومؤخرًا، تم تكييف تقنية امتصاص هيدروكسيد الليثيوم لاستخدامها في أجهزة التخدير . تعتمد أجهزة التخدير، التي توفر دعم الحياة وعوامل الاستنشاق أثناء الجراحة، عادةً على دائرة مغلقة تتطلب إزالة ثاني أكسيد الكربون الذي يزفره المريض. وقد يوفر هيدروكسيد الليثيوم بعض مزايا السلامة والراحة مقارنةً بالمنتجات القديمة القائمة على الكالسيوم.

2 LiOH(s) + 2 H2O ( g ) → 2 LiOH· H2O ( s )
2 LiOH· H 2 O (s) + CO 2 (g) → Li2 CO3 (صلب) + 3H 2 O(غاز)

والنتيجة النهائية هي:

2LiOH(s) + CO 2 (g) → Li2 CO3 (صلب) +H 2 O(غاز)

يمكن أيضًا استخدام بيروكسيد الليثيوم لأنه يمتص كمية أكبر من ثاني أكسيد الكربون لكل وحدة وزن، مع ميزة إضافية تتمثل في إطلاق الأكسجين. [ 12 ]

في السنوات الأخيرة، حظي أورثوسيليكات الليثيوم باهتمام كبير في مجال احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزين الطاقة. [ 8 ] توفر هذه المادة مزايا أداء كبيرة على الرغم من أنها تتطلب درجات حرارة عالية لتكوين الكربونات.

نظام إزالة ثاني أكسيد الكربون المتجدد

استخدم نظام إزالة ثاني أكسيد الكربون التجديدي (RCRS) في مكوك الفضاء نظامًا ثنائي الطبقات يوفر إزالة مستمرة لثاني أكسيد الكربون دون الحاجة إلى مواد استهلاكية. وقد أتاحت الأنظمة القابلة للتجديد لمكوك الفضاء البقاء لفترة أطول في الفضاء دون الحاجة إلى إعادة تعبئة حاويات المادة الماصة . وتم استبدال الأنظمة القديمة القائمة على هيدروكسيد الليثيوم (LiOH)، وهي غير قابلة للتجديد، بأنظمة قابلة للتجديد تعتمد على أكسيد المعادن . ويتكون النظام القائم على أكسيد المعادن بشكل أساسي من حاوية ماصة من أكسيد المعادن ووحدة تجديد. ويعمل هذا النظام عن طريق إزالة ثاني أكسيد الكربون باستخدام مادة ماصة، ثم تجديد هذه المادة. ويتم تجديد حاوية أكسيد المعادن الماصة عن طريق ضخ الهواء من خلالها عند درجة حرارة تقارب 200 درجة مئوية (392 درجة فهرنهايت) بمعدل تدفق قياسي يبلغ 3.5 لتر/ثانية (7.4 قدم مكعب /دقيقة) لمدة 10 ساعات. [ 13 ]     

الكربون المنشط

يمكن استخدام الكربون المنشط كجهاز لتنقية ثاني أكسيد الكربون. يُمرر هواء غني بثاني أكسيد الكربون، مثل هواء مخازن الفاكهة، عبر طبقات من الكربون المنشط، فيلتصق ثاني أكسيد الكربون به (امتصاص). بعد تشبع الطبقة، يجب "تجديدها" بتمرير هواء منخفض ثاني أكسيد الكربون، مثل هواء الجو المحيط، عبرها. يؤدي ذلك إلى تحرير ثاني أكسيد الكربون من الطبقة، ويمكن استخدامها مرة أخرى للتنقية، بحيث تبقى كمية ثاني أكسيد الكربون في الهواء كما كانت عند بدء العملية.

الأطر المعدنية العضوية (MOFs)

تُعدّ الأطر المعدنية العضوية من المواد المدروسة جيدًا في مجال احتجاز وتخزين ثاني أكسيد الكربون عبر الامتزاز . [ 14 ] ولا توجد تقنية تجارية واسعة النطاق لهذا الغرض. [ 15 ] في إحدى التجارب، تمكنت الأطر المعدنية العضوية من فصل 90% من ثاني أكسيد الكربون من تيار غازات المداخن باستخدام عملية تغيير الضغط الفراغي. ويُقدّر أن تكلفة الطاقة سترتفع بنسبة 65% عند استخدام الأطر المعدنية العضوية، مقارنةً بزيادة قدرها 81% عند استخدام الأمينات كعامل احتجاز. [ 16 ]

خرطوشة هواء ممتدة

خرطوشة الهواء الممتدة (EAC) هي نوع أو علامة تجارية من عبوات امتصاص الهواء المعبأة مسبقًا للاستخدام مرة واحدة، والتي يمكن تركيبها في تجويف الاستقبال في جهاز إعادة التنفس المصمم بشكل مناسب. [ 17 ]

طرق أخرى

تمت مناقشة العديد من الطرق والمواد الأخرى لتنقية ثاني أكسيد الكربون.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ غاري تي. روشيل (2009). "التنقية بالأمين لالتقاط ثاني أكسيد الكربون " . مجلة ساينس . 325 (5948): 1652-1654 . Bibcode : 2009Sci...325.1652R . doi : 10.1126/science.1176731 . PMID 19779188. S2CID 206521374 .  
  2. ↑ سون هو تشوي؛ جيفري إتش. دريس؛ كريستوفر دبليو. جونز (2009). "مواد ماصة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون من مصادر بشرية كبيرة". ChemSusChem . 2 (9): 796–854 . Bibcode : 2009ChSCh...2..796C . doi : 10.1002/cssc.200900036 . PMID 19731282 . 
  3. ↑ "تخيلوا لو لم تكن هناك قيود على استخدام الوقود الأحفوري ولا احتباس حراري" . ساينس ديلي . 15 أبريل 2002. مؤرشف من الأصل في 17 يوليو 2018. تم الاطلاع عليه في 28 فبراير 2018 .
  4. ↑ "معدن طبيعي يحبس ثاني أكسيد الكربون" . ساينس ديلي . 3 سبتمبر 2004. مؤرشف من الأصل في 5 يونيو 2011. تم الاطلاع عليه في 1 يونيو 2011 .
  5. ↑ "الاستدامة وفرن تيك إيكو" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 25 أكتوبر 2005. تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 أكتوبر 2005 .
  6. ↑ كينيث تشانغ (19 فبراير 2008). "العلماء سيحولون غازات الاحتباس الحراري إلى بنزين" . صحيفة نيويورك تايمز . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29 أكتوبر 2009 .
  7. ↑ برايك، كاثرين (3 أكتوبر 2007). "إسفنجة كيميائية قادرة على ترشيح ثاني أكسيد الكربون من الهواء - البيئة" . مجلة نيو ساينتست . مؤرشفة من الأصل في 26 فبراير 2010. تم الاطلاع عليها في 29 أكتوبر 2009 .زيمان، فرانك (2007). "موازنة الطاقة والمواد في عملية احتجاز ثاني أكسيد الكربون من الهواء المحيط". مجلة العلوم والتكنولوجيا البيئية ، 41 (21): 7558-7563 . Bibcode : 2007EnST...41.7558Z . doi : 10.1021/es070874m . PMID: 18044541. S2CID : 27280943 .  
  8. 1 2 كوين، ر.؛ كيتزهوفر، ر. ج.؛ هوفتون، ج. ر.؛ جولدن، ت. س. (2012). "مادة ماصة صلبة عالية الحرارة قائمة على أورثوسيليكات الليثيوم لالتقاط ثاني أكسيد الكربون بعد الاحتراق " . مجلة الهندسة الكيميائية والبحوث الصناعية . 51 (27): 9320-7 . doi : 10.1021/ie300157m .
  9. ↑ كونزيغ، روبرت؛ برويكر، والاس (12 يناير 2009). "هل تستطيع التكنولوجيا تنقية الهواء؟" . مجلة نيو ساينتست . مؤرشف من الأصل في 6 يونيو 2015. تم الاطلاع عليه في 29 أكتوبر 2009 .
  10. 1 2 زيمان، إف إس؛ لاكنر، كيه إس (2004). "التقاط ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الغلاف الجوي". مجلة الموارد العالمية 16 : 157-172 .
  11. ↑ جيه آر جونسن (1989). "سلوك وقدرات أجهزة تنقية ثاني أكسيد الكربون باستخدام هيدروكسيد الليثيوم في بيئة أعماق البحار" . تقرير فني صادر عن الأكاديمية البحرية الأمريكية . USNA-TSPR-157. مؤرشف من الأصل بتاريخ 24 أغسطس 2009. تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 يونيو 2008 .
  12. ↑ بيتزو، جي إن؛ ألدينجر، إف؛ جونسون، إس؛ ويلج، بي؛ فان كامبن، في؛ مينسينغ، تي؛ برونينغ، تي. (2005). "البريليوم ومركبات البريليوم". موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية . doi : 10.1002/14356007.a04_011.pub2 . ISBN 978-3527306732. S2CID 262306041 . 
  13. ↑ " إزالة ثاني أكسيد الكربون" . هاميلتون ساندستراند. مؤرشف من الأصل في 31 أكتوبر 2007. تم الاطلاع عليه في 27 أكتوبر 2008. يحل النظام الجديد القائم على أكسيد المعادن محل نظام إزالة ثاني أكسيد الكربون (CO2) الحالي غير القابل للتجديد والمصنوع من هيدروكسيد الليثيوم (LiOH) والموجود في نظام دعم الحياة الأساسي لوحدة القطار الكهربائي.
  14. ↑ "إطارات معدنية عضوية لثاني أكسيد الكربون" . تقنيات الإطارات المعدنية العضوية . مؤرشف من الأصل في 27 فبراير 2021. تم الاطلاع عليه في 7 أبريل 2021 .
  15. ↑ لي، جيان رونغ (2011). "امتصاص الغازات وفصلها المرتبط باحتجاز ثاني أكسيد الكربون في الأطر المعدنية العضوية" (ملف PDF) . مراجعات كيمياء التنسيق . 255 ( 15-16 ): 1791-1823 . doi : 10.1016/j.ccr.2011.02.012 . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 9 سبتمبر 2016.
  16. ↑ ويليس، ريتشارد؛ ليش، ديفيد أ. (2010). "إزالة ثاني أكسيد الكربون من غازات المداخن باستخدام إطارات معدنية عضوية دقيقة المسام". التقرير الفني النهائي . رقم جائزة وزارة الطاقة الأمريكية: DE-FC26-07NT43092. doi : 10.2172/1003992 . OSTI 1003992 . 
  17. ↑ "تمديد خرطوشة الهواء" . dykarna (باللغة السويدية). مؤرشف من الأصل في 30 ديسمبر 2021. تم الاسترجاع في 30 ديسمبر 2021 .
  18. ↑ سيريوردان، ر.؛ شين، م.؛ فيشر، إ.؛ بوستون، ج.؛ شمسي، أ. (2001). "امتزاز وانفصال ثاني أكسيد الكربون على مواد ماصة صلبة" . المختبر الوطني لتكنولوجيا الطاقة. CiteSeerX 10.1.1.205.844 . DOE/NETL-2001/1144. مؤرشف من الأصل في 10 فبراير 2025. تم الاطلاع عليه في 21 نوفمبر 2021 .