- جدول المحتويات:
- أهمية غاز الهيدروجين كمصدر وقود وطرق أنتاجه
- مشكلة البلاستيك ووقود الهيدروجين
- تقنية التسخين السريع لتفكيك النفايات البلاستيكية وتحويلها إلى هيدروجين A flash heating technique
- أهداف الدراسة
“ماذا لو حولنا نفايات البلاستيك إلى شيء أكثر قيمة من البلاستيك المعاد تدويره بينما في نفس الوقت نستخرج الهيدروجين المحبوس بالداخل ؟” كان هذا سؤال دكتور كيفن أحد الباحثين في جامعة رايس.
يُعد التلوث من أحد المخاطر البيئية ومع تزايد آثار أزمة المناخ المستمرة، وتدهور النظام البيئي، تزداد الحاجة إلى حلول مبتكرة لتعالج هذه القضايا.
نُشرت دراسة حديثة في مجلة “Advanced Materials”، حيث يقوم باحثون بقيادة بوريس ياكوبسون وجيمس تور من قسم علوم المواد وهندسة النانو في جامعة رايس في الولايات المتحدة باستخدام تقنية جديدة تحول نفايات البلاستيك إلى غاز هيدروجين نظيف وجرافين عالي النقاء بدون انبعاث ثاني أكسيد الكربون (CO2).
أهمية غاز الهيدروجين كمصدر وقود وطرق أنتاجه:
يبرز الهيدروجين كمصدر وقود نظيف نظرًا لقدرته على إنتاج طاقة كبيرة أثناء أنتاج الماء كمنتج ثانوي وحيد له،ومقارنة بالفحم أو الوقود النفطي الذي ينبعث منه الكثير من ثاني أكسيد الكربون CO2، وعلى عكس البطاريات أو مصادر الطاقة المتجددة، يمكن تخزين الهيدروجين وإعادة تغذيته بسرعة دون انتظار ساعات للشحن. لهذا السبب، يفكر العديد من مصنعي السيارات في الانتقال إلى وقود الهيدروجين.
بلغ الاستهلاك العالمي للهيدروجين في عام 2021، 94 مليون طن، ومن المتوقع أن يرتفع الطلب في السنوات القادمة، ومع ذلك، تكمن المعضلة في حقيقة أنه على الرغم من أعتبار الهيدروجين كوقود أخضر، فإن الطريقة السائدة لإنتاج الهيدروجين لا تزال تعتمد على الوقود الأحفوري من خلال عملية تسمى إصلاح الميثان البخاري (steam-methane reforming)، والتي بجانب أحتياجها إلى طاقة كثيفة تؤدي إلى انبعاثات ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي. قال ويس: “في الواقع، مقابل كل طن من الهيدروجين المصنوع صناعياً في الوقت الحالي، يتم إنتاج 10-12 طن من ثاني أكسيد الكربون.”
البديل الاخر هو إنتاج غاز الهيدروجين من خلال عملية تعرف باسم التحليل الكهربائي( electrolysis)، حيث يتم تقسيم الماء إلى عناصره المكونة 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. تتطلب هذه العمليات أيضًا مواد إضافية، مثل المحفزات، وتكلف حوالي 3-5 دولارات أمريكية لكل كيلوجرام من الهيدروجين، مما يجعل من الصعب التنافس مع عملية الإصلاح بسعر 2 دولار أمريكي لكل كيلوغرام.
قال ويس: «يمكنك أن ترى سبب حاجتنا إلى طرق لإنتاج الهيدروجين بطريقة فعالة ومنخفضة التكلفة لا تنتج كميات كبيرة من CO2».
مشكلة البلاستيك ووقود الهيدروجين:
أوضح ويس أن التحديات حول تلوث النفايات البلاستيكية وإنتاج الهيدروجين منخفض الكربون هي مشاكل عالجها العلماء بنجاح منذ عقود. حيث قال “في حالة تلوث النفايات البلاستيكية، نعرف كيفية إعادة تدوير البلاستيك – تكمن المشكلة في حقيقة أن إعادة التدوير باهظة الثمن، مع ارتفاع تكاليف فصل أنواع البلاستيك يدويًا، وغسل النفايات، ثم إعادة ذوبان البوليمرات، ونتيجة لذلك، غالبًا ما تكلف المواد البلاستيكية المعاد تدويرها أكثر من المواد البلاستيكية الجديدة، لذلك لا يوجد حافز اقتصادي لإعادة التدوير، وبالتالي، لا يزال التلوث يمثل مشكلة بعد عقود.” وبالتالي، فإن التحدي الحقيقي لا يكمن في حل هذه المشاكل، بل في إيجاد طرق لتقليل تكلفة حلولها.
تقنية التسخين السريع لتفكيك النفايات البلاستيكية وتحويلها إلى هيدروجين A flash heating technique:
تعتبر تقنية متطورة لتسخين المواد بسرعة إلى درجات حرارة عالية للغاية؛ لتحقيق ذلك، يتم تشغيل تيار كهربائي من خلال مادة تتمتع بمقاومة كهربائية، والتي تحول الكهرباء بسرعة إلى حرارة، وتحقق درجات حرارة تبلغ آلاف كيلفن في ثوانٍ فقط.
يقوم العلماء بتفريغ التيار من خلال عينة البلاستيك، وتحقيق درجات حرارة تصل إلى 2500 درجة مئوية في غضون عُشر ثانية، قبل أن تبرد العينة مرة أخرى في غضون بضع ثوان. هذا التسخين السريع يعيد تنظيم الروابط الكيميائية في البلاستيك – تتحول ذرات الكربون في البلاستيك إلى روابط للجرافين، وتتحول ذرات الهيدروجين إلى غاز الهيدروجين H2 .
حيث تعيد هذه العملية تدوير نفايات البلاستيك بكفاءة عالية باستخدام أي محفز أو مذيبات أخرى، وبمجرد أن تتعرض المواد البلاستيكية للتفاعل، يتم الحصول أيضًا على جرافين نقي وقيم، يستخدم لتقوية السيارات أو حتى صنع إلكترونيات وشاشات تعمل باللمس مرنة، والتي تتراوح قيمتها حاليًا بين 60 ألف دولار و 200 ألف دولار للطن.
لذلك شرع الباحثون في محاصرة ودراسة الغازات المتطايرة المنبعثة أثناء عملية التسخين السريع ، ولدهشتهم اكتشفوا أنهم كانوا يحررون ما يقرب من 93% الهيدروجين الذري وتمكنوا من استعادة ما يصل إلى 64% منه كهيدروجين نقي – وهي محاصيل يمكن مقارنتها بالطرق الصناعية الحالية التي تنبعث منها خمسة إلى ستة أضعاف ثاني أكسيد الكربون.
قال ويس “تنتج طريقتنا 84% أقل من ثاني أكسيد الكربون وغازات الاحتباس الحراري لكل طن من الهيدروجين المنتج، مقارنة بالطريقة الصناعية الشائعة الحالية بأستخدام طريقة إصلاح الميثان البخاري، وتستخدم طاقة أقل من طرق إنتاج الهيدروجين بأستخدام طريقة التحليل الكهربائي.”
أهداف الدراسة:
يعتبر الهدف الرئيسي هو جعل 1 كجم من الهيدروجين النظيف يكلف 1 دولار أمريكي خلال العقد المقبل، حيث يتم تعريف الهيدروجين النظيف على أنه أي هيدروجين يتم إنتاجه بأقل من 4 كجم من ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي.
قال ويس: “أظهر بحثنا أنه يمكننا القيام بذلك الآن، إذا تم توسيع نطاق عملية التسخين السريع، وتحويل نفايات البلاستيك إلى هيدروجين وجرافين نظيفين، وفي الوقت الحالي، يُنتج 10-12 كجم من ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي عن 95% الهيدروجين المنتج عالميًا ، وفي المقابل تنتج عمليتنا أقل من 1,8 كجم من ثاني أكسيد الكربون لكل كيلوجرام من الهيدروجين.”
