کاتالیزور صنعتی، زباله و دی‌اکسید کربن را به سوخت تبدیل می‌کند و انتشار گازها را در فرآیندی رقابتی از نظر هزینه، نصف می‌سازد

برای دهه‌ها، صنعت شیمی به دنبال یک هدف دست‌نیافتنی بوده است: راهی مقرون‌به‌صرفه برای تبدیل دو مورد از بزرگترین محصولات زائد بشریت – دی‌اکسید کربن و زباله‌های شهری – به سوخت قابل استفاده. تئوری این کار درست است، اما شیمی آن همیشه در عمل با شکست مواجه شده است. اکنون، یک تیم بین‌المللی از محققان، پیشرفتی را در مجله Science منتشر کرده‌اند که شکاف بین وعده‌های آزمایشگاهی و واقعیت صنعتی را پر می‌کند.[1]

هسته اصلی این کشف، یک کاتالیزور صنعتی جدید به نام NiMoCat است که از نانوذرات نیکل و مولیبدن تشکیل شده و بر روی اکسید منیزیم تک‌بلوری لنگر انداخته است. این ماده که توسط محققان دانشگاه وسترن میشیگان و دانشگاه علم و فناوری ملک عبدالله توسعه یافته، با موفقیت فرآیندی به نام اصلاح هیبریدی را هدایت می‌کند.[1]

به گفته دکتر مرت آتیلهان، استاد مهندسی شیمی در WMU و یکی از نویسندگان این مطالعه، هدف نهایی ایجاد یک اقتصاد کربن دایره‌ای پایدار در مقیاس عظیم (گیگاتن) است. این فرآیند با بازیافت گازهای گلخانه‌ای و زباله به طور مستقیم به سوخت‌های بدون کربن، عملاً انتشار جهانی مرتبط با تولید سوخت را نصف می‌کند، بدون اینکه نیاز به بازنگری کامل در زیرساخت‌های موجود باشد.

مانع اصلی در تبدیل دی‌اکسید کربن و هیدروکربن‌ها به سوخت، از لحاظ تاریخی یک پدیده شیمیایی به نام کک‌شدگی (coking) بوده است. هنگامی که کاتالیزورهای سنتی مبتنی بر نیکل در دماهای بالا در معرض واکنش‌های پرکربن قرار می‌گیرند، کربن جامد به سرعت روی سطح آنها تجمع می‌یابد. این تجمع کربن، سایت‌های فعال را مسدود کرده، کاتالیزور را ظرف چند ساعت بی‌مصرف می‌کند و تولید سوخت را متوقف می‌سازد.[3]

داده‌های تازه منتشر شده نشان می‌دهند که چگونه NiMoCat بر این نقص مهلک غلبه می‌کند. در طول فعال‌سازی، نانوذرات نیکل-مولیبدن به لبه‌های پله‌ای پرانرژی روی تکیه‌گاه اکسید منیزیم مهاجرت می‌کنند. این آرایش هندسی منحصربه‌فرد از تجمع اتم‌های کربن به صورت کک جامد جلوگیری می‌کند. در نتیجه، کاتالیزور برای صدها ساعت عملکرد مداوم، بسیار فعال و پایدار باقی می‌ماند، که یک نیاز اجباری برای دوام تجاری است.[1][2]

علاوه بر پایداری، این تحقیق بر توانایی سیستم در مدیریت مواد اولیه دسته‌بندی‌نشده تأکید دارد. بازیافت شیمیایی سنتی نیازمند پلاستیک‌های با دقت دسته‌بندی‌شده است، زیرا ناخالصی‌ها به راحتی کاتالیزورهای حساس را مسموم کرده و تعادل شیمیایی ظریف مورد نیاز برای تولید هیدروکربن‌های قابل استفاده را مختل می‌کنند.[1][5]

فرآیند اصلاح هیبریدی از طریق یک مکانیسم دو مرحله‌ای این محدودیت را دور می‌زند. ابتدا، زباله‌های شهری دسته‌بندی‌نشده – از بطری‌های پلاستیکی گرفته تا تفاله‌های قهوه – تحت گازسازی قرار می‌گیرند. سپس گازهای فرار حاصل، همراه با جریانی از دی‌اکسید کربن یا گاز دودکش صنعتی واقعی، به راکتور NiMoCat وارد می‌شوند.[1]

کاتالیزور به طور کارآمد این ورودی‌های پیچیده و نامرتب را تجزیه می‌کند و مقادیر کمی گاز سنتز (مخلوطی از مونوکسید کربن و هیدروژن) تولید می‌کند، بدون اینکه محصولات جانبی اکسیداتیو ناخواسته مانند پلی‌آروماتیک‌ها تولید شوند. این تحمل در برابر زباله‌های دنیای واقعی، هزینه‌های پیش‌تصفیه را که معمولاً پروژه‌های بازیافت شیمیایی را محکوم به شکست می‌کنند، به شدت کاهش می‌دهد.[1]

در حالی که بسیاری از کاتالیزورهای جدید به فلزات نجیب کمیاب و گران‌قیمت مانند پلاتین یا پالادیوم متکی هستند، NiMoCat کارایی خود را با استفاده از نیکل، مولیبدن و منیزیم به دست می‌آورد. از آنجایی که این فلزات فراوان و نسبتاً ارزان هستند، اقتصاد این فرآیند به نفع پذیرش در مقیاس بزرگ تغییر می‌کند.[3]

علاوه بر این، تیم تحقیقاتی به سنتز مقادیر میکروسکوپی در یک پتری دیش بسنده نکردند. این مطالعه تأیید می‌کند که NiMoCat با موفقیت به شکل گلوله و در مقیاس کیلوگرم سنتز شده است، که به طور خاص برای راکتورهای فشار قوی مورد استفاده در کارخانه‌های پتروشیمی مدرن طراحی شده است.[1]

خروجی فوری راکتور NiMoCat، گاز سنتز است. اگرچه این گاز به خودی خود یک محصول مصرفی نیست، اما بلوک ساختمانی اساسی صنعت شیمی مدرن محسوب می‌شود. از طریق فرآیندهای تثبیت‌شده‌ای مانند سنتز فیشر-تروپش، گاز سنتز می‌تواند به دی‌متیل اتر، سوخت پایدار هواپیما، جایگزین‌های دیزل کم‌کربن، کودها و پلاستیک‌های جدید تبدیل شود.[1][5]

یک تحلیل دقیق چرخه عمر که در این مطالعه گنجانده شده است، تبدیل بیوگاز به دی‌متیل اتر را با استفاده از کاتالیزور جدید مدل‌سازی کرد. این تحلیل تأیید کرد که این مسیر نه تنها مقیاس‌پذیر است بلکه واقعاً پایدار است و روشی عملی برای بازیافت کربن ارائه می‌دهد که با زیرساخت‌های شیمیایی فعلی سازگار است.[1]

با وجود داده‌های قوی، گذار از یک پایلوت در مقیاس کیلوگرم به یک زیرساخت جهانی در مقیاس گیگاتن، یک چالش مهندسی بسیار بزرگ باقی می‌ماند. محققان خاطرنشان می‌کنند که نقطه عطف حیاتی بعدی، بهینه‌سازی یکپارچه‌سازی حرارتی در کارخانه‌های تجاری است تا اطمینان حاصل شود که این فرآیند از نظر انرژی کارآمد باقی می‌ماند.[4]

از آنجایی که واکنش‌های اصلاح نیازمند دماهای بالا هستند، ردپای کربن کلی این فرآیند به شدت به منبع انرژی مورد استفاده برای گرم کردن راکتورها بستگی دارد. اگر با برق تجدیدپذیر تأمین شود، سیستم عمیقاً کربن-منفی است؛ اگر با سوزاندن سوخت‌های فسیلی تأمین شود، مزیت خالص اقلیمی به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.[3]

علاوه بر این، در حالی که کاتالیزور در برابر کک‌شدگی ناشی از کربن مقاوم است، استقرار صنعتی طولانی‌مدت، انعطاف‌پذیری آن را در برابر فلزات سنگین کمیاب و آلودگی شدید گوگرد که اغلب در جریان‌های زباله شهری در طول هزاران ساعت یافت می‌شود، آزمایش خواهد کرد.[4]

توسعه NiMoCat نشان‌دهنده یک تغییر پارادایم در جذب و استفاده از کربن است. به جای در نظر گرفتن دی‌اکسید کربن به عنوان یک محصول زائد خطرناک که باید با هزینه زیاد به زیر زمین پمپ شود، این فناوری آن را به عنوان یک ماده اولیه شیمیایی باارزش می‌بیند که می‌تواند به طور مداوم بازیافت شود.[3][4]

با حمایت بازیگران اصلی انرژی، جدول زمانی تجاری‌سازی این فناوری ممکن است کوتاه‌تر از اکتشافات آکادمیک معمول باشد. اگر این فناوری با موفقیت در پالایشگاه‌های موجود ادغام شود، می‌تواند سوخت‌های پایدار مورد نیاز بخش‌های هوانوردی و حمل و نقل سنگین را برای دستیابی به اهداف اقلیمی اواسط قرن فراهم کند.[5]