خلفيّة
تتراوح الكميات الجوية الطبيعية لثاني أكسيد الكربون، وهو غاز عديم اللون، من 0 إلى 5%. ويتألف من ثلاث ذرات: جزيء خطي بدون عزم ثنائي القطب الصافي يتكون من ذرتي أكسجين مرتبطتين بذرة كربون واحدة. ويتم صياغته بهذه الوسائل: (1) تنتجه الكائنات الهوائية مثل البشر والحيوانات بشكل أساسي أثناء التنفس. ومع ذلك، يمكن أيضًا توليده أثناء الاحتراق أو التحلل الميكروبي للنفايات العضوية (2)، عن طريق حرق الوقود الأحفوري، بما في ذلك الفحم والنفط والبنزين والغاز الطبيعي ينتج الجزء الأكبر من الانبعاثات البشرية، و(3) اعتمادًا على المنتج (المنتجات) المقصودة، يمكن استخدام ثاني أكسيد الكربون مباشرة عن طريق تحويله إلى مواد كيميائية من خلال طرق تحفيزية مختلفة بالإضافة إلى استخدامه في العمليات الصناعية مثل تصنيع الأسمنت أو الصودا (الصودا).
طرق استغلال ثاني أكسيد الكربون
من الممكن تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مركبات كيميائية قيمة باستخدام تقنيات مختلفة. التحويل الحراري التحفيزي الذي ينطوي على درجات حرارة عالية؛ التحويل الميكروبي باستخدام سلالات البكتيريا المهندسة؛ الاختزال الكهروكيميائي المباشر باستخدام مصادر الطاقة المتجددة؛ الاختزال الضوئي التحفيزي باستخدام ضوء الشمس؛ التحويلات الأنزيمية بوساطة الميتوكوندريا باستخدام الإنزيمات المستخرجة من الخلايا الحية؛ الكيمياء العضوية الاصطناعية باستخدام الكواشف العضوية المعدنية مع المعادن الأساسية مثل النحاس أو الحديد المحفزات؛ والتفاعلات بمساعدة الإنزيم باستخدام المحفزات الحيوية هي بعض من هذه التقنيات. كل تقنية لها فوائد فريدة وفقًا لفئات المنتج المقصودة ومعدل الإنتاج واستهلاك الطاقة وما إلى ذلك.
إن تطبيق الكهرباء مباشرة على جزيئات ثاني أكسيد الكربون يتسبب في تحولها إلى أيونات فورمات، والتي قد تتفاعل مع جزيئات أخرى لتوليد مركبات قيمة مثل الميثانول والإيثانول. تُعرف هذه العملية بالتحويل الكهروكيميائي المباشر. يزيل هذا النهج أي انبعاثات غازات دفيئة مرتبطة باستخدامه باستخدام مصادر الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية بدلاً من الوقود الأحفوري التقليدي، مما يجعله خيارًا جذابًا، نظرًا لمخاوف تغير المناخ العالمي الحالية. وهذه الطريقة أكثر تكلفة من الطرق الأخرى المتاحة الآن بسبب معدلات الاستخدام التي تقترب من 2٪ وانخفاض الحاجة إلى مواد التحفيز. ومع ذلك، لا يزال يتعين حل بعض القضايا قبل أن يمكن اعتبار الخيار قابلاً للتطبيق تجاريًا بسبب سرعات التفاعل البطيئة عند مقارنتها بتقنيات التحفيز الضوئي ومشاكل التوسع المحدودة المتعلقة بمتطلبات حجم المفاعل لتحقيق مستويات الإنتاج واسعة النطاق كما هو مطلوب من قبل معايير الصناعة اليوم.
الاختزال الضوئي:باستخدام طاقة الضوء والمحفزات مثل بلورات أكسيد التيتانيوم النانوية الممزوجة بأكاسيد معادن انتقالية مختلفة، مثل الفضة والكوبالت وأكسيد الزنك، إلخ، يحول الاختزال الضوئي جزيئات ثاني أكسيد الكربون إما إلى أيونات فورمات، إذا تم تطبيقها عند جهد كاثودي، أو جذور هيدروكسيل، إذا تم تطبيقها عند جهد أنودي. يتمتع كلا المنتجين بمجموعة واسعة من الاستخدامات في صناعات مختلفة، تتراوح من المذيبات إلى ونظرًا لأن هذه الطريقة تحتاج فقط إلى مصدر ضوء بدلاً من التسخين الحراري التقليدي، فهي خيار جذاب لإجراء عمليات التخليق الضوئي في بيئات حيث لن يكون ذلك مناسبًا بخلاف ذلك، مثل الإنتاج على دفعات صغيرة أو المختبرات حيث تكون المساحة والموارد محدودة، على التوالي. توفر هذه الطريقة أيضًا مرونة لا مثيل لها.
إن هندسة سلالات بكتيرية معينة لامتصاص الغازات المذابة مباشرة من البيئة، مثل الهواء، وتحويلها إلى نواتج أيضية قيمة، مثل الأحماض الدهنية، تُعرف باسم "التحويل الميكروبي". وفي غياب أي ركائز خارجية إضافية، تتفوق هذه الطريقة على الطرق الأخرى المدرجة هنا من حيث التكاليف لأنها لا تحتاج إلى شراء مواد متفاعلة إضافية؛ وبدلاً من ذلك، يمكن زراعة الثقافات المتخصصة بتكلفة زهيدة على ممتلكات المرء واستخدامها في السياق بشكل فعال. وبفضل التحسينات في تقنيات التلاعب الجيني، يمكن حتى للتفاعلات المعقدة متعددة الخطوات الآن إنتاج مركبات مستهدفة بالمستويات المرغوبة بسرعة ودقة، مما يضمن استمرار عمليات مراقبة الجودة دون انقطاع في المستقبل المنظور للمشاريع اللاحقة. يستخدم الباحثون بشكل متزايد تقنيات التلاعب الجيني لإنشاء عقاقير وعلاجات جديدة. وللحفاظ على السبق في المنافسة والحفاظ على ميزة تنافسية في الاختراقات التنموية العلمية، يحتاج سوق قطاع الرعاية الصحية سريع النمو في جميع أنحاء العالم إلى كمية متزايدة باستمرار من الأبحاث.
التحويل الحراري التحفيزي: إن التحفيز الحراري هو تطبيق الحرارة على خليط يحتوي على كل من الهيدروجين وأول أكسيد الكربون لإنتاج هيدروكربونات سائلة تشبه كسور البترول ولكنها أنقى بكثير في الجودة من النفط الخام القياسي الذي يتم الحصول عليه من مواقع استخراج الوقود الأحفوري اليوم. مما يجعل من الممكن الوصول إلى المنتجات النهائية القيمة التي قد يجد قطاع التكرير صعوبة في الحصول عليها في أي مكان آخر. ويتم تمكين تخليق البوليمر من خلال الكيمياء الحرارية - البوليولات والبلاستيك والمطاط والرغوة والمواد اللاصقة والمواد المانعة للتسرب والغراء والطلاء. المنسوجات والألياف والمواد المركبة لها استخدامات مختلفة في مختلف الصناعات، بما في ذلك مستحضرات التجميل والتعبئة والتغليف وتجهيز الأغذية وهندسة السيارات والبناء والزراعة والفضاء الجوي. هذا هو السبب في أنها تكتسب شعبية بسرعة وهي الرائدة في صناعة التكنولوجيا على نطاق عالمي. تتضمن التحويلات الأنزيمية بوساطة الميتوكوندريا استخراج الإنزيمات من الخلايا الحية، وتحديدًا الميتوكوندريا، ونقلها إلى وسط آخر حيث تقوم بتحويل الوسائط التفاعلية، وتشكيل مسار محدد مسبقًا للمنتج النهائي من مركبات متعددة متعايشة. حمض اللاكتيك، والأسيتوين، والجلسرين، والكحول، والأسيتيك السكسينيك، والبيروسيليك السكسينيك، والماليك الطرطري، والفوماريك الغلوتارالدهيد، و2-هيدروكسي بنزوات، وحمض الفينوكسي أسيتيك، و2-ميثيل فينوكسي إيثانول هي مجرد عدد قليل من المركبات التي يمكن استخلاصها بدقة ونقاء أفضل وبأسعار مخفضة كقيمة مضافة.
ومع ذلك، وعلى النقيض من طريقة الكيمياء الكهربائية المباشرة، تحويلات الميتوكوندريا تتمتع بديناميكيات أبطأ، مما يعني أن الدورة تستغرق وقتًا أطول لتكتمل قبل الوصول إلى نقطة النهاية. وقد يقلل هذا من سعة الإنتاج الفعلية. وفي ظروف معينة، تكون أوقات الاستجابة الأسرع ضرورية. تأكد من تسليم المنتج النهائي في الموعد المتوقع وفي الجدول الزمني الموعود للعملاء والزبائن. قبل بدء المشروع، يعد هذا عاملاً حاسمًا لتجنب أي خيبات أمل يمكن أن تسبب تأخيرات قد تكلف المنظمة أموالاً أو تسبب ضررًا طويل الأمد لسمعتها ووعيها بالعلامة التجارية وحصتها في السوق.
الكيمياء العضوية الاصطناعية: إن إنشاء الكواشف العضوية المعدنية المكونة من المعادن الانتقالية والربيطات والهياكل الداعمة لإنتاج انتقائية فراغية مواتية يُعرف باسم الكيمياء العضوية الاصطناعية أو "العضوية المعدنية". وبالمقارنة مع معلمات موضوع الدورة الأخرى، يجب النظر في كل حالة على حدة لتحديد أفضل الظروف المثلى للعمل في ظل السياق بشكل كافٍ، مما يضمن أقصى قدر من الكفاءة. تسمح الانتقائية الكيميائية الإقليمية أثناء التحولات بتكوين مجموعات وظيفية انتقائية في مواضع محددة من الجزيئات بسهولة في فترة قصيرة. تقليل الهدر في العمالة والمواد والموارد مع إعطاء معدات أفراد السلامة أولوية عالية. تذكر، في كل مرحلة من مراحل تنفيذ المشروع، بما في ذلك تسليم العملاء بأكثر الطرق نجاحًا ممكنًا، على الرغم من العقبات التي تواجهها والظروف غير المتوقعة.
أمثلة على التركيب الكيميائي من ثاني أكسيد الكربون (CO2)
- تخليق الميثانول: قد تؤدي طريقة مونسانتو، التي تتضمن تفاعل ثاني أكسيد الكربون مع غاز الهيدروجين في وجود محفز من النحاس والزنك، إلى إنتاج الميثانول من ثاني أكسيد الكربون. ويمكن إنجاز إنتاج الميثانول من ثاني أكسيد الكربون عن طريق خلطه بالهيدروجين فوق محفز مناسب في درجات حرارة وضغوط عالية (على سبيل المثال، 400-430 درجة مئوية و10-20 بار). وينطبق مصطلح "التخليق بالميثان" أيضًا على هذه العملية.
- إنتاج حمض الفورميك: باستخدام خلية كهروكيميائية ومحفز من البلاديوم والنحاس، يمكن إنتاج حمض الفورميك من ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين.
- التحويل إلى أملاح الأكسالات: من خلال العمليات الكيميائية التي تنطوي على مركبات البورون والألومنيوم مثل البوراكس أو هيدرات الألومينا والأحماض الأخرى، بما في ذلك حمض الهيدروكلوريك أو حمض الكبريتيك، يمكن أيضًا تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أملاح الأكسالات.
- يتم تصنيع البولي كربونات عن طريق الجمع بين الفوسجين والكحولات ثنائية الهيدروكسيل مثل الإيثيلين جليكول في وجود محفزات مثل رباعي كلوريد القصدير أو كلوريد الزنك. يؤدي هذا إلى تفاعلات البلمرة التي تؤدي إلى إنتاج بوليمرات مكونة في المقام الأول من جزيئات ثاني أكسيد الكربون المرتبطة بذرات الأكسجين (أي البولي كربونات).
- تخليق حمض الكربونيك: في محفز مثل حمض الكبريتيك أو حمض الفوسفوريك، يتحد ثاني أكسيد الكربون والماء لتكوين حمض الكربونيك. وقد ينتج عن ذلك مركبات مثل اليوريا والفورمات.
- تخليق ثنائي ميثيل الأثير: ثنائي ميثيل الأثير (DME) هو مركب مهم آخر يمكن إنتاجه من ثاني أكسيد الكربون باستخدام محفزات تخليق الميثانول وعامل إصلاح، مثل خليط من CO2/H2O أو CO/H2، في درجات حرارة تتراوح بين 350 و400 درجة مئوية وضغوط تصل إلى 20 بار لتحويل الغاز الاصطناعي إلى DME.
- إنتاج البولي كربونات: نظرًا لقوتها ومتانتها وشفافيتها ومقاومتها للحرارة وخصائصها العازلة للكهرباء، تُستخدم البولي كربونات غالبًا في التطبيقات الصناعية. يتم تصنيعها عادةً عن طريق تحويل ثنائي الفينول إلى فوسجين، والذي يتم إنتاجه عندما يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع غاز الكلور أو محلول حمض الهيدروكلوريك عند درجة حرارة عالية (200-300 درجة مئوية).
- تخليق ثنائي ميثيل الكربونات (DMC) هو عملية تستخدم لإنتاج المركب الكيميائي ثنائي ميثيل الكربونات. وهي تتضمن تفاعل الميثانول مع الفوسجين أو ثاني أكسيد الكربون في وجود محفز أساسي مثل هيدروكسيد البوتاسيوم أو هيدروكسيد الصوديوم. ينتج عن التفاعل ثنائي ميثيل الكربونات وكلوريد الهيدروجين، والذي يتم إزالته بعد ذلك من الخليط عن طريق التقطير. يمكن استخدام ثنائي ميثيل الكربونات كبديل لإيثيلين جليكول في تركيبات مانع التجمد للسيارات والطائرات، وكذلك للعديد من التطبيقات الأخرى بما في ذلك المذيبات والملدنات والدوافع والوقود.
كيفية DEISO هل يمكن أن تساعدك في مشروع التركيب الكيميائي من ثاني أكسيد الكربون؟
- DEISO تقدم مجموعة واسعة من خدمات تقييم دورة الحياة المهنية لتقييم التأثير البيئي المرتبط بالتركيب الكيميائي من ثاني أكسيد الكربون. يمكنك العثور عليها هنا.
- نحن نقدم أيضًا خدمات استشارية لتقييم دورة الحياة (LCA) بمعدل بالساعة.
- تقدم شركة DESIO أيضًا محاكاة للعمليات الكيميائية للتخليق الكيميائي من ثاني أكسيد الكربون باستخدام Aspen Plus. تعرف على المزيد هنا.
- نحن نقدم أيضًا تدريبًا على تقييم دورة الحياة لـ LCA وبرامجها وبياناتها.
- نحن نقدم أيضًا تدريبًا لبرنامج Aspen Plus.
