חוקרים מאוניברסיטת טורונטו הנדסה פיתחו זרז חדש הממיר ביעילות פחמן שנלכד למוצרים יקרי ערך כמו אתילן ואתנול, אפילו בנוכחות מזהמים תחמוצת גופרית. פריצת דרך זו מציעה שיטה משתלמת יותר מבחינה כלכלית ללכידת פחמן ושדרוג, שעלולה לחולל מהפכה בתעשיות כמו ייצור פלדה ומלט בכך שהיא מאפשרת להן להמיר CO2 מזרמי פסולת בצורה יעילה יותר.
זרז אלקטרוכימי להמרת CO2 למוצרים יקרי ערך יכול לעמוד בפני טומאה שמרעילה את הגרסאות הנוכחיות.
זרז חדש משפר את ההמרה של פחמן שנלכד למוצרים מסחריים, שומר על יעילות גבוהה למרות זיהומי תחמוצת גופרית. חדשנות זו עשויה להפחית משמעותית את העלויות ואת דרישות האנרגיה בטכנולוגיות לכידת פחמן, ולהשפיע על תעשיות כבדות.
זרז מעוצב חדש שנוצר על ידי חוקרי הנדסה מאוניברסיטת טורונטו הופך ביעילות פחמן שנלכד למוצרים בעלי ערך – אפילו בנוכחות מזהם שפוגע בביצועים של הגרסאות הנוכחיות.
התגלית היא צעד חשוב לקראת טכניקות טובות יותר מבחינה כלכלית ללכידת ואחסון פחמן שניתן להוסיף לתהליכים תעשייתיים קיימים.
התקדמות בטכנולוגיות המרת פחמן
"היום, יש לנו אפשרויות רבות וטובות יותר לייצור חשמל דל פחמן מאי פעם", אומר פרופסור דיוויד סינטון (MIE), מחבר בכיר במאמר שפורסם ב- אנרגיית הטבע ב-4 ביולי זה מתאר את הזרז החדש.
"אבל יש סקטורים אחרים בכלכלה שיהיה קשה יותר לשחרר את הפחמן: למשל, ייצור פלדה ומלט. כדי לעזור לתעשיות הללו, עלינו להמציא דרכים חסכוניות ללכידה ולשדרג את הפחמן בזרמי הפסולת שלהן".
דוקטורנטים להנדסה מאוניברסיטת טורונטו, Rui Kai (Ray) Miao (משמאל) ופנוס Papangelakis (מימין) מחזיקים זרז חדש שתכננו להמיר גז CO2 שנלכד למוצרים בעלי ערך. הגרסה שלהם מתפקדת היטב אפילו בנוכחות דו תחמוצת הגופרית, מזהם שמרעיל זרזים אחרים. קרדיט: טיילר אירווינג / הנדסה של אוניברסיטת טורונטו
שימוש באלקטרוליזר בהתמרת פחמן
סינטון וצוותו משתמשים במכשירים הידועים כאלקטרוליזרים כדי להמיר CO2 וחשמל למוצרים כמו אתילן ואתנול. ניתן למכור מולקולות המבוססות על פחמן כדלקים או להשתמש בהם כחומרי הזנה כימיים לייצור פריטים יומיומיים כגון פלסטיק.
בתוך האלקטרוליזר, תגובת ההמרה מתרחשת כאשר שלושה יסודות – גז CO2, אלקטרונים ואלקטרוליט נוזלי על בסיס מים – מתאחדים על פני השטח של זרז מוצק.
הזרז עשוי לרוב מנחושת אך עשוי להכיל גם מתכות אחרות או תרכובות אורגניות שיכולות לשפר עוד יותר את המערכת. תפקידו להאיץ את התגובה ולמזער את יצירת תוצרי לוואי לא רצויים, כגון גז מימן, אשר מפחיתים את היעילות של התהליך הכולל.
התמודדות עם אתגרי יעילות Catalyst
בעוד שצוותים רבים ברחבי העולם ייצרו זרזים בעלי ביצועים גבוהים, כמעט כולם מתוכננים לפעול עם הזנת CO2 טהורה. אבל אם הפחמן המדובר מגיע מערימות עשן, סביר להניח שההזנה תהיה הכל מלבד טהורה.
"מעצבי קטליסטים בדרך כלל לא אוהבים להתמודד עם זיהומים, ומסיבה טובה", אומר פאנוס פפאנג'לקיס, סטודנט לדוקטורט בהנדסת מכונות ואחד מחמישה מחברים מובילים במאמר החדש.
"תחמוצות גופרית, כגון SO2, מרעילות את הזרז על ידי קשירה לפני השטח. זה משאיר פחות אתרים ל-CO2 להגיב, וזה גם גורם להיווצרות כימיקלים שאתה לא רוצה.
"זה קורה ממש מהר: בעוד שזרזים מסוימים יכולים להחזיק מעמד מאות שעות בהזנה טהורה, אם אתה מכניס את הזיהומים האלה, תוך דקות הם יכולים לרדת ל-5% יעילות."
למרות שישנן שיטות מבוססות היטב להסרת זיהומים מגזי פליטה עשירים ב-CO2 לפני הזנתם לתוך האלקטרוליזר, הן לוקחות זמן, דורשות אנרגיה ומעלות את העלות של לכידת פחמן ושדרוג. יתר על כן, במקרה של SO2, אפילו מעט יכול להיות בעיה גדולה.
"גם אם מורידים את גז הפליטה שלך לפחות מ-10 חלקים למיליון, או 0.001% מההזנה, הזרז עדיין יכול להיות מורעל תוך פחות משעתיים", אומר Papangelakis.
חידושים בעיצוב Catalyst
במאמר, הצוות מתאר כיצד הם פנו לתכנון זרז גמיש יותר שיכול לעמוד ב-SO2 על ידי ביצוע שני שינויים מרכזיים לזרז טיפוסי מבוסס נחושת.
בצד אחד הם הוסיפו שכבה דקה של פולי-טטראפלואורואתילן, הידוע גם בשם טפלון. חומר נון-דביק זה משנה את הכימיה במשטח הזרז, ומעכב את התגובות המאפשרות להרעלת SO2 להתרחש.
בצד השני, הם הוסיפו שכבה של Nafion, פולימר מוליך חשמלי המשמש לעתים קרובות בתאי דלק. החומר המורכב והנקבובי הזה מכיל כמה אזורים שהם הידרופיליים, כלומר הם מושכים מים, כמו גם אזורים אחרים שהם הידרופוביים, כלומר הם דוחים מים. מבנה זה מקשה על SO2 להגיע למשטח הזרז.
ביצועים בתנאים שליליים
לאחר מכן, הצוות הזין את הזרז הזה בתערובת של CO2 ו-SO2, כאשר האחרון בריכוז של כ-400 חלקים למיליון, אופייני לזרם פסולת תעשייתי. אפילו בתנאים הקשים הללו, הזרז החדש פעל היטב.
"בעיתון אנו מדווחים על יעילות פאראדיי – מדד של כמה מהאלקטרונים הגיעו למוצרים הרצויים – של 50%, שהצלחנו לשמור על 150 שעות", אומר פאנג'לקיס.
"יש שם כמה זרזים שעשויים להתחיל ביעילות גבוהה יותר, אולי 75% או 80%. אבל שוב, אם אתה חושף אותם ל-SO2, תוך דקות או לכל היותר כמה שעות, זה יורד לכמעט כלום. הצלחנו להתנגד לזה".
כיוונים והשלכות עתידיות
Papangelakis אומר שמכיוון שהגישה של הצוות שלו לא משפיעה על הרכב הזרז עצמו, היא צריכה להיות ישימה באופן נרחב. במילים אחרות, צוותים שכבר שיכללו זרזים בעלי ביצועים גבוהים צריכים להיות מסוגלים להשתמש בציפויים דומים כדי להעניק עמידות להרעלת תחמוצת גופרית.
למרות תחמוצות גופרית הן הטומאה המאתגרת ביותר בזרמי פסולת טיפוסיים, הן אינן היחידות, והקבוצה המלאה של המזהמים הכימיים שהצוות פונה אליהם.
"יש הרבה זיהומים אחרים שצריך לקחת בחשבון, כמו תחמוצות חנקן, חמצן וכו'", אומר Papangelakis.
"אבל העובדה שהגישה הזו עובדת כל כך טוב עבור תחמוצות גופרית מבטיחה מאוד. לפני העבודה הזו, זה היה מובן מאליו שתצטרך להסיר את הזיהומים לפני שדרוג CO2. מה שהראינו הוא שאולי יש דרך אחרת להתמודד איתם, מה שפותח הרבה אפשרויות חדשות".
