چکیده
رسیدگی به تهدید رو به رشد تغییرات اقلیمی نیازمند راهحلهای فوری و پایدار برای مدیریت انتشار دی اکسید کربن (CO2) است. این مرور، آخرین پیشرفتها در فناوریهای جذب و تبدیل CO2 را بررسی میکند، با تمرکز بر رویکردهایی که بهرهوری انرژی، سازگاری با محیط زیست و توجیه اقتصادی را در اولویت قرار میدهند. استراتژیهای نوظهور در جذب CO2 با توجه به مواد کمکربن و طرحهای مقیاسپذیر مورد بحث قرار میگیرند. به موازات آن، مسیرهای نوآورانه تبدیل CO2، مانند فرآیندهای ترموکاتالیستی، الکتروکاتالیستی و فتوشیمیایی، از نظر توانایی آنها در تبدیل CO2 به مواد شیمیایی و سوختهای ارزشمند ارزیابی میشوند. تحقیقات اخیر بر ادغام جذب و تبدیل در سیستمهای یکپارچه متمرکز شده است، به طوری که مراحل میانی انرژیبر مانند فشردهسازی و حمل و نقل حذف شوند.
مقدمه
غلظت CO2 در اتمسفر از زمان انقلاب صنعتی بیش از ۵۰ درصد افزایش یافته و از ۴۲۰ ppm فراتر رفته است، و این موضوع ثبات آب و هوا را تهدید میکند. پیشبینیها نشان میدهند که سطح CO2 میتواند تا سال ۲۱۰۰ به ۵۷۰ ppm برسد، که میتواند به افزایش دمای جهانی تا ۳.۲ درجه سانتیگراد منجر شود. بیشتر انتشار گازهای گلخانهای از منابع نقطهای مانند نیروگاهها نشأت میگیرد و به همین دلیل، استراتژیهای مؤثر مدیریت کربن اهمیت زیادی دارند. جذب، استفاده و ذخیره کربن (CCUS) میتواند با جذب CO2 از منابع مشخص یا حتی مستقیماً از جو، به کاهش مسائل اقلیمی کمک کند. روشهای CCUS، از جمله چرخه شیمیایی و تبدیل کاتالیزوری، برای کاهش انتشار گازهای گلخانهای ضروری هستند.
جذب و تبدیل پایدار CO2
سطح بالای انتشار CO2 باعث مشکلات زیستمحیطی میشود و اعمال استراتژیهای پایدار برای جذب، استفاده و ذخیرهسازی کربن (CCUS) اهمیت زیادی دارد تا بتوان چالشهای مرتبط با کنترل انتشار را مدیریت کرد. در رویکردهای مرتبط با فرآیندهای جذب و تبدیل CO2، ترکیب مؤثر آنها میتواند صرفهجویی انرژی بالقوه ایجاد کند و نیاز به مراحل انرژیبر، مانند بازسازی و حمل و نقل که در مسیر سنتی متوالی وجود دارد، را کاهش دهد. فناوری جذب و تبدیل کربن یکپارچه (ICCC/ICCU) برای استفاده و جذب کارآمد و پایدار CO2 توسعه یافته است. این فناوری، علاوه بر افزایش کارایی در تبدیل CO2، با حذف نیاز به فشردهسازی و انتقال، هزینهها را نیز کاهش میدهد. فناوریهای سنتی جذب و استفاده از کربن (CCU) که در شکل 1a (سمت چپ) نشان داده شده است، شامل چندین مرحله متوالی از جمله جذب CO2، بازسازی جاذب، فشردهسازی، حمل و نقل و نهایتاً تبدیل یا ذخیرهسازی هستند. این فرآیندهای چندمرحلهای نه تنها انرژیبر هستند، بلکه موجب تخریب قابل توجه مواد نیز میشوند و راندمان کلی فرآیند را کاهش میدهند
(a) نمایش نموداری که توسعه فناوریهای (ICCC/ICCU) را با فناوریهای مرسوم CCUS مقایسه میکند.
(b) تصویر شماتیک روش پیشنهادی که اصلاح خشک متان (DRM) را مستقیماً در فرآیند جمعآوری CO2 وارد میکند و منجر به تولید گاز سنتز میشود.
(c) نمودارهای شماتیک فرآیندهای CCU و ICCU
جذب CO2
جذب کربن فرآیندی است که شامل جمعآوری انتشار CO2 از منابعی مانند نیروگاهها و سایتهای صنعتی، یا حتی مستقیماً از هوا، میشود. این فرآیند از روشهای تخصصی مبتنی بر فناوری استفاده میکند، از جمله: جذب پیش از احتراق (جمعآوری CO2 قبل از سوختن سوخت)، جذب پس از احتراق (جمعآوری CO2 بعد از سوختن سوخت)، احتراق سوخت در اکسیژن خالص به جای هوا (Oxy-fuel) و جذب مستقیم هوا (Direct Air Capture, DAC) که CO2 را مستقیماً از جو استخراج میکند.
فناوریهای مختلفی برای جذب CO2 وجود دارند، مانند:
- جذب مستقیم هوا (DAC)
- جذب با حلال که CO2 توسط یک محلول جذب شده و سپس برای ذخیرهسازی آزاد میشود
- جذب سطحی که CO2 توسط مواد جامد جذب میشود
- جداسازی غشایی که CO2 با استفاده از یک غشای نیمهتراوا از سایر گازها جدا میشود
پس از جذب، CO2 معمولاً باید به مکانهای ذخیرهسازی منتقل شود، معمولاً از طریق خطوط لوله و در برخی موارد توسط کامیون یا کشتی.
در حالی که فناوریهای مرسوم جذب CO2 مانند شستشوی آمین، جاذبهای جامد و جداسازی غشایی هنوز پایه و اساس مدیریت کربن در مقیاس صنعتی هستند، ادغام جذب و تبدیل (ICCC/ICCU) مسیر نوآورانه و سریعتری را ارائه میدهد. سیستمهای یکپارچه از هزینههای انرژی مرتبط با آزادسازی، تصفیه و فشردهسازی CO2 جلوگیری میکنند و امکان استفاده مستقیم از CO2 جذب شده در شرایط ملایم را فراهم میکنند. این رویکرد مزایای قابل توجهی در بهرهوری انرژی، فشردگی سیستم و اقتصاد کلی فرآیند ارائه میدهد. بخش زیر، مفاهیم ICCC/ICCU را با جزئیات بیشتری بررسی میکند و اهمیت رو به رشد و پتانسیل تحولآفرین آنها در فناوریهای نسل بعدی استفاده از کربن را منعکس میکند.
(a) طرح مدل سیستم DACCS، که جریانهای برق با رنگ زرد، جریانهای گرما با رنگ قرمز و جریانهای گرمای تلفشده با رنگ سبز مشخص شدهاند. انتشار گازهای گلخانهای در چرخه عمر با خطوط آبی نمایش داده شده است.
(b) مورد WH و (c) مورد HTHP.
(d، e) موازنه بین بهرهوری کارخانه و راندمان حذف کربن برای فرآیندهای مختلف بهینه KPI: (d) مورد WH و (e) مورد HTHP.
همانطور که در شکل 2a دیده میشود، Postweiler و همکاران، بهینهسازی سیستمهای جذب و ذخیرهسازی کربن مستقیم هوا (DACCS) مبتنی بر جذب را بررسی کردند و بر نیاز به معیارهای سیستماتیک برای آب و هوا مانند راندمان حذف کربن (CRE) و نرخ حذف کربن (CRR)، در مقایسه با شاخصهای سنتی انرژی مانند تقاضای انرژی ویژه (SED) و کار معادل شفت (ESW) تأکید کردند.
شکلها نشان میدهند که استفاده از CRE به عنوان یک KPI میتواند هم راندمان حذف کربن و هم بهرهوری کارخانه را افزایش دهد و مرزهای پارتو را به سمت مقادیر بالاتر منتقل کند (شکل 2d، e). این مطالعه از یک مدل پویا DACCS استفاده میکند که انتشار گازهای گلخانهای چرخه عمر را در بر میگیرد و تجزیه و تحلیل جامع فرآیند را ممکن میسازد (شکل 2b، c).
این تحقیق همچنین اهمیت استفاده از منابع انرژی پاکتر را برجسته میکند و نشان میدهد که کاهش انتشار گازهای گلخانهای ناشی از برق، عملکرد DACCS را به شکل قابل توجهی بهبود میبخشد. یافتهها از عملکرد انعطافپذیر DACCS در پاسخ به تغییرات انتشار گازهای گلخانهای برق حمایت میکنند و پیشنهاد میکنند که CRE با ارزیابیهای اقتصادی ادغام شود تا کاربرد گستردهتری در فناوریهای کاهش انتشار منفی داشته باشد.
تبدیل CO2
تبدیل CO2 به مواد شیمیایی و سوختهای ارزشمند، یک استراتژی کلیدی برای کاهش انتشار گازهای گلخانهای و همزمان تولید منابع مفید است. مسیرهای نوآورانه تبدیل شامل فرآیندهای ترموکاتالیستی، الکتروکاتالیستی و فتوشیمیایی هستند. هر یک از این روشها پتانسیل بالایی برای تبدیل CO2 به محصولات با ارزش، مانند متانول، متان، اتانول و سایر هیدروکربنها دارند.
- فرآیندهای ترموکاتالیستی از گرما و کاتالیستها برای واکنش CO2 با سوختها یا هیدروژن استفاده میکنند تا ترکیبات شیمیایی تولید شود.
- فرآیندهای الکتروکاتالیستی با استفاده از برق و کاتالیست، CO2 را به سوختها و مواد شیمیایی ارزشمند تبدیل میکنند، که امکان استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر را فراهم میسازد.
- فرآیندهای فتوشیمیایی با الهام از فتوسنتز طبیعی، انرژی نور خورشید را برای تبدیل CO2 به محصولات شیمیایی به کار میگیرند.
ادغام این روشها با سیستمهای جذب، مانند فناوریهای ICCC/ICCU، مزایای زیادی دارد. با حذف مراحل میانی انرژیبر مانند فشردهسازی و حمل و نقل، بهرهوری انرژی افزایش مییابد و هزینهها کاهش مییابد. این ادغام همچنین امکان استفاده مستقیم از CO2 جذب شده در شرایط ملایم را فراهم میکند و فشار بر منابع صنعتی و زیستمحیطی را کاهش میدهد.
(a) شماتیک مسیرهای ترموکاتالیستی و الکتروکاتالیستی برای تبدیل CO2.
(b) مثال فرآیند فتوشیمیایی برای تولید سوختهای شیمیایی از CO2.
(c) مدل سیستم یکپارچه ICCU که جذب و تبدیل CO2 را همزمان انجام میدهد.
(a) تصویرسازی نموداری از ECO2RR در MEA با SSE که غلظت بالایی از محلول خالص HCOOH تولید میکند.
(b، c) منحنیهای LSV و FE HCOOH در چگالیهای جریان سلولی مختلف.
(d) آزمایش پایداری بلندمدت و FE برای کاهش CO2 به محلول FA بر روی کاتالیزور RD-Bi در MEA با SSE.
(e) روش ECO2RR برای تقسیم هزینه تولید ۱ تن FA.
(f) ECO2RR حاشیه سود بالاتر و زمان بازگشت سرمایه کوتاهتری نسبت به هیدرولیز متیل فرمات معمولی ارائه میدهد.
(g) پتانسیل گرمایش جهانی ECO2RR و روشهای هیدرولیز فرمات معمولی مقایسه شدهاند.
(h) ECO2RR با ارائه سودآوری بیشتر و بازگشت سریعتر سرمایه در شرایط مختلف برق، بهتر از هیدرولیز متیل فرمات معمولی عمل میکند.
تبدیل CO2 به اسید فرمیک
تبدیل CO2 به اسید فرمیک یک واکنش شیمیایی مهم است که CO2 را به یک اسید کربوکسیلیک ارزشمند تبدیل میکند. اسید فرمیک در صنعت کاربردهای گستردهای دارد، از جمله بهعنوان نگهدارنده، عامل ضدباکتری، منعقدکننده و ماده اولیه در تولید مواد شیمیایی. این تبدیل معمولاً با استفاده از کاتالیزورهای فلزی مانند روتنیم، پالادیوم یا مس انجام میشود تا کاهش CO2 به اسید فرمیک تسهیل شود. این فناوری بخشی از تلاشهای مداوم CCU برای کاهش انتشار CO2 است و از نظر زیستمحیطی و اقتصادی نویدبخش محسوب میشود.
تبدیل CO2 به متانول
تبدیل CO2 به متانول فرآیندی جذاب برای کاهش انتشار گازهای گلخانهای و تولید مواد شیمیایی ارزشمند است. این فرآیند شامل جذب CO2، تولید هیدروژن، ترکیب CO2 و H2 برای تولید متانول، خالصسازی آن و استفاده بهعنوان سوخت، حلال یا ماده اولیه میشود. چالشهای اصلی شامل انرژیبر بودن مراحل جذب و خالصسازی و نیاز به کاتالیزورهای کارآمد است. تحقیقات و توسعه مداوم بر بهینهسازی کارایی و اقتصادی بودن این تبدیل بهعنوان یک راهبرد کاهش تغییرات اقلیمی متمرکز شده است.
مکانیسمهای مولکولی و جایگاههای فعال در تبدیل کاتالیزوری CO2
پیشرفت فناوریهای تبدیل CO2 نیازمند درک سطح مولکولی چرخههای کاتالیزوری است. در سنتز ترموکاتالیستی متانول، کاتالیزورهای Cu/ZnO/Al2O3 معمولاً مسیر فرمات را دنبال میکنند، که در آن CO2 بهطور متوالی از طریق واسطههای فرمات و متوکسی هیدروژنه میشود. فعالیت کاتالیزوری به فصل مشترک Cu-ZnO و حالت اکسیداسیون Zn وابسته است و هیدروژناسیون فرمات اغلب محدودکننده سرعت است.
در کاهش الکتروکاتالیستی CO2 (CO2RR)، گزینشپذیری محصول به ساختار الکترونیکی کاتالیزور و تعامل آن با واسطهها بستگی دارد. برای سطوح مس، دیمریزاسیون *CO تشکیل محصول چندکربنی را تعیین میکند و تحت تأثیر pH محلی، میدان الکتریکی و وجه کریستالی است. برای فلزات انتخابی فرمات مانند Sn یا Bi، تثبیت واسطه *OCHO اهمیت بالایی دارد، هرچند تخریب کاتالیزور در شرایط عملیاتی همچنان چالشبرانگیز است.
جذب و تبدیل/استفاده یکپارچه کربن (ICCC/ICCU)
ICCC/ICCU به فناوریهایی اشاره دارد که جذب CO2 و تبدیل یا استفاده فوری از آن به محصولات ارزشمند را در یک سیستم واحد ترکیب میکنند. هدف این فناوریها افزایش بهرهوری اقتصادی و کاهش مراحل انرژیبر مانند تصفیه و فشردهسازی CO2 است.
نتیجه گیری
فناوریهای ICCU با تبدیل CO2 جذبشده به محصولات مفید، نسبت به فناوریهای سنتی CCU کارآمدتر هستند. این رویکرد با ایجاد سیستمهای حلقه بسته، گام مهمی در مبارزه با تغییرات اقلیمی محسوب میشود. با این حال، موفقیت به غلبه بر چالشهای فنی، نظارتی، اقتصادی و اجتماعی بستگی دارد و نیازمند همکاری بین محققان، صنایع و سیاستگذاران است.
پیشرفتهای اخیر در فناوریهای فوتوکاتالیستی و فوتوالکتروشیمیایی بر افزایش کارایی و پایداری در نور خورشید واقعی تمرکز کرده است. طراحی مواد مؤثر، بهویژه برای کاربردهایی مانند تصفیه گاز دودکش، بسیار مهم است. مواد دوکاره، که میتوانند همزمان جذب و تبدیل انجام دهند، عملکرد و پایداری سیستم را افزایش میدهند و در برابر گرما و مواد شیمیایی مقاوم هستند.
ادغام فناوریهای ICCU با طراحی مواد پیشرفته برای ایجاد اقتصاد پایدار و کمکربن ضروری است و دستیابی به این هدف نیازمند مشوقهای مالی، مقررات حمایتی و همکاری بینالمللی است.
منبع: MDPI