مروری بر فناوری‌های مختلف جذب کربن

در جهان امروز، که تغییرات اقلیمی به بحرانی جدی تبدیل شده است، نیاز به راه‌حل‌های فناورانه برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای بیش از هر زمان دیگری اهمیت یافته است. کربن دی‌اکسید (CO₂)، به‌ عنوان یکی از اصلی‌ترین گازهای گلخانه‌ای، نقش محوری در گرمایش زمین دارد و مهار آن به ضرورتی اجتناب‌ناپذیر برای حفظ تعادل محیط‌زیستی تبدیل شده است.

مطالعه مقاله “مروری بر مفهوم ردپای کربن (Carbon footprint)” اینجا کلیک کنید.

برای مقابله مؤثر با این چالش، مجموعه‌ای از فناوری‌های جذب کربن توسعه یافته‌اند که هر یک با تکیه بر اصول علمی متفاوت، به کاهش یا حذف کربن دی‌اکسید از مسیرهای گوناگون می‌پردازند. این فناوری‌ها شامل جذب گاز توسط حلال‌ها (Absorption)، استفاده از غشاهای پیشرفته (Membrane)، مواد جاذب جامد (Adsorption)، چرخه‌های شیمیایی نوآورانه(Chemical Looping) و نیز ترکیب این رویکردها در قالب فرآیندهای ترکیبی هستند (روش استخراج مستقیم کربن دی‌اکسید از هوای محیط جز فناوری‌های مبتنی بر مواد جاذب محسوب می‌شود).

هر یک از این فناوری‌های جذب کربن نه‌ تنها امکان کنترل انتشار مستقیم کربن دی‌اکسید از منابع عمده صنعتی را فراهم می‌سازند، بلکه ظرفیت بهره‌برداری از آن به‌عنوان یک منبع قابل استفاده در تولید سوخت‌ها و مواد شیمیایی ارزشمند را نیز در خود دارند، که در ادامه مورد بررسی قرار می‌گیرند.

جذب شیمیایی (Absorption)

فرآیند جذب شیمیایی یکی از قدیمی‌ترین و در عین حال پرکاربردترین فناوری‌های جذب کربن در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی به شمار می‌رود. این روش بر پایه استفاده از حلال‌های شیمیایی برای استخراج CO₂ از جریان‌های گازی طراحی شده و بسته به نوع فرایند، هم در شرایط پس‌احتراقی (Post-combustion) و هم پیش‌احتراقی (Pre-combustion) کاربرد دارد.

در میان حلال‌های شیمیایی، ترکیبات آمینی مانند مونواتانول آمین (MEA)، دی‌اتانول آمین (DEA)، و متیل‌دی‌اتانول آمین (MDEA) از رایج‌ترین گزینه‌ها به‌شمار می‌روند که به‌طور گسترده در صنایعی مانند سیمان، فولاد، نیروگاه‌های حرارتی و پالایشگاه‌های نفت مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین، محلول‌های قلیایی مانند هیدروکسید سدیم (NaOH)، هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)₂) و آمونیاک آبی نیز به‌عنوان حلال‌های جایگزین در برخی کاربردها به‌کار گرفته می‌شوند.

در مقابل، فناوری‌های جذب فیزیکی مانند Selexol، Rectisol، Purisol و Fluor، بیشتر در شرایط پیش‌احتراقی مورد استفاده قرار می‌گیرند، جایی که فشار و غلظت بالای CO₂ امکان استفاده مؤثرتر از این حلال‌ها را فراهم می‌سازد.

در سال‌های اخیر، مایعات یونی (Ionic Liquids) به‌عنوان نسل جدیدی از حلال‌ها، به دلیل ویژگی‌هایی مانند فراریت بسیار کم، پایداری حرارتی بالا، و نیاز اندک به انرژی برای بازسازی، توجه قابل‌توجهی را به خود جلب کرده‌اند. با این حال، محدودیت‌هایی نظیر ظرفیت کاری پایین و هزینه بالا مانع از کاربرد گسترده‌تر آن‌ها در مقیاس صنعتی شده است.

با وجود مزایای عملکردی، فناوری‌های جذب کربن مبتنی بر حلال مایع با چالش‌هایی نیز مواجه است. نیاز زیاد به انرژی برای بازسازی حلال‌ها، خوردگی شدید تجهیزات به‌ویژه در حضور آمین‌ها، مصرف بالای آب، و کاهش عملکرد در حضور آلاینده‌هایی مانند اکسیدهای گوگرد (SOx) و نیتروژن (NOx) از جمله موانع اساسی توسعه این فناوری هستند.

با این حال، مسیرهای امیدوارکننده‌ای برای بهبود عملکرد و کاهش هزینه‌ها در این حوزه وجود دارد. استفاده از آمین‌های پیشرفته‌ای همچون پیپرازین (PZ) که واکنش‌پذیری سریع‌تر و نیاز انرژی کمتر دارند، اصلاح ساختار شیمیایی مایعات یونی به‌منظور افزایش ظرفیت جذب، و و همچنین استفاده از طراحی‌های پیشرفته در برج‌های جذب و بازیابی با کنترل مرحله‌ای دما، می‌تواند بازدهی فرایند را به‌طور چشمگیری افزایش دهد.

فناوری غشایی (Membrane)

تکنولوژی غشایی یکی از رویکردهای نوین و کم‌مصرف در زمینه جداسازی گازها محسوب می‌شود که در سال‌های اخیر توجه زیادی به آن شده است. در این روش، اختلاف فشار یا غلظت در دو سوی غشا، عامل حرکت انتخابی مولکول‌ها و در نتیجه جداسازی است.

انواع مختلفی از غشاها در این زمینه توسعه یافته‌اند:

• غشاهای غیرآلی:

  مانند زئولیت‌ها، چارچوب‌های فلز-آلی (MOFs)، غربال‌های مولکولی کربن، سرامیک‌ها و اکسیدهایی نظیر آلومینا، که مقاومت حرارتی و مکانیکی بالایی دارند اما به‌دلیل هزینه ساخت بالا هنوز به مرحله تجاری‌سازی گسترده نرسیده‌اند.

• غشاهای پلیمری:

  قابل تولید در مقیاس بالا و ارزان‌تر از غشاهای غیرآلی، اما با محدودیت‌هایی در گزینش‌پذیری و پایداری مکانیکی در شرایط عملیاتی سخت.

• غشاهای انتقال تسهیل‌شده:

  با عملکرد بالا برای CO₂، اما در معرض مسمومیت ناشی از گازهای اسیدی قرار دارند.

• غشاهای ماتریس مخلوط (MMMs):

  ترکیبی از پلیمر و مواد غربال مولکولی، با هدف ترکیب مزایای هر دو نوع، گرچه هنوز در مرحله توسعه اولیه قرار دارند.

چالش اصلی در استفاده از غشاها برای پس‌احتراق، فشار پایین گاز دودکش و پایین بودن نسبت نفوذ CO₂/N₂ است. از سوی دیگر، استفاده از غشاهای الیاف توخالی کامپوزیتی، با مساحت فیلتراسیون بسیار بالا و هزینه تولید پایین، یک گزینه امیدوارکننده برای کاربردهای صنعتی به شمار می‌رود. به طور خاص، غشاهایی با گزینش‌پذیری بالای ۲۰۰ و نفوذپذیری قابل قبول، می‌توانند این فناوری را به یک گزینه مقرون‌به‌صرفه تبدیل کنند.

مطالعه مقاله “مروری بر فناوری غشایی در جداسازی و جذب کربن دی‌اکسید” اینجا کلیک کنید.

مطالعه مقاله “چالش‌ها و پیشرفت‌های اخیر در تجاری‌سازی فناوری غشایی جذب CO₂” اینجا کلیک کنید.

جذب سطحی (فیزیکی) (Adsorption)

جذب سطحی به عنوان یک فناوری کلیدی و رو به رشد، برای جداسازی انتخابی دی‌اکسید کربن (CO2​) از جریان‌های گازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این فرآیند، مولکول‌های گاز بر روی سطح مواد جامد متخلخل به نام جاذب‌ها، تجمع می‌یابند. بسته به شرایط عملیاتی و ویژگی‌های جاذب، از روش‌های متعددی در این حوزه استفاده می‌شود که از جمله مهمترین آنها می‌توان به جذب نوسان فشار (Pressure Swing Adsorption – PSA) و جذب نوسان دما (Temperature Swing Adsorption – TSA) اشاره کرد.

جاذب‌ها را می‌توان به طور کلی به دو دسته اصلی تقسیم کرد:

• مواد با دمای بالا:

  این دسته شامل جاذب‌های شیمیایی (Chemisorbents) مانند هیدروتالکیت‌ها، اکسیدهای قلیایی یا قلیایی خاکی (نظیر اکسید کلسیم)، سیلیکات‌ها و زیرکونات‌های قلیایی هستند.

• مواد با دمای پایین:

  این گروه عمدتاً شامل جاذب‌های فیزیکی (Physisorbents) مانند زئولیت‌ها، مواد پایه کربن (از جمله کربن فعال، نانولوله‌های کربن، نانوالیاف کربن، و گرافن)، چارچوب‌های فلز-آلی (Metal-Organic Frameworks – MOFs)، شبکه‌های پلیمری متخلخل (Porous Polymer Networks – PPNs) و چارچوب‌های آلی کووالانسی (Covalent Organic Frameworks – COFs) می‌باشند.

علاوه بر این، آمین‌های پشتیبانی‌شده (Supported Amines) نیز در دسته جاذب‌های دمای پایین قرار می‌گیرند، اما به دلیل برهمکنش‌های قوی با CO₂​، به عنوان جاذب‌های شیمیایی طبقه‌بندی می‌شوند.

با وجود پتانسیل بالای فناوری جذب سطحی، چالش‌های متعددی در مسیر توسعه و تجاری‌سازی گسترده آن وجود دارد. از جمله این چالش‌ها می‌توان به کاهش ظرفیت جذب در حضور رطوبت و آب، مسمومیت ناشی از آلاینده‌های موجود در جریان‌های گازی (مانند SOx​ و NOx​)، سایش مکانیکی ذرات جاذب در طول چرخه‌های عملیاتی و نیاز به مدیریت حرارتی مؤثر برای بازسازی جاذب‌ها اشاره کرد.

با این حال، پیشرفت‌ها و فرصت‌های قابل توجهی برای غلبه بر این موانع در حال ظهور هستند. طراحی جاذب‌های ساختاریافته مانند مونولیت‌ها و الیاف توخالی می‌تواند به حل مشکلات افت فشار و سایش جاذب کمک کند. توسعه جاذب‌های کامپوزیت (مانند زئولیت‌های عامل‌دار شده با آمین یا MOF‌های عامل‌دار شده) نیز پتانسیل غلبه بر مشکلات جاذب‌های سنتی را دارد. همچنین، پیاده‌سازی چرخه‌های جذب-رهاسازی سریع (Rapid Swing Cycles) می‌تواند توان عملیاتی فرآیند را افزایش داده و اندازه تجهیزات را کاهش دهد. این پیشرفت‌ها، زمینه‌ساز توسعه صنعتی و کاربرد گسترده‌تر فناوری جذب سطحی CO2​ در آینده خواهند بود.

فرایندهای چرخه‌ایی شیمیایی (Chemical Looping)

فناوری حلقه شیمیایی، رویکردی نوین برای جذب CO₂​ است که بر پایه استفاده از حامل‌های اکسیژن بنا شده است. این حامل‌ها، که معمولاً از اکسیدهای فلزی تشکیل شده‌اند، وظیفه انتقال اکسیژن بین دو راکتور مجزا را بر عهده دارند: راکتور هوا و راکتور سوخت. از طریق این گردش اکسیژن، احتراق سوخت بدون تماس مستقیم با هوا صورت می‌گیرد. این فناوری عمدتاً در دو قالب اصلی توسعه یافته است: احتراق با حلقه شیمیایی (Chemical-Looping Combustion – CLC) و اصلاح با حلقه شیمیایی (Chemical-Looping Reforming – CLR).

ویژگی برجسته فرآیندهای حلقه شیمیایی، قابلیت جداسازی ذاتی CO₂​ و تولید گاز سنتز (Syngas) با خلوص بالا است. این بدان معناست که CO₂​ و بخار آب  به طور طبیعی از گاز دودکش جدا می‌شوند و نیازی به فرآیندهای جداسازی پرهزینه پس از احتراق وجود ندارد. این امر به طور قابل توجهی می‌تواند هزینه‌های جذب را کاهش داده و همچنین تشکیل اکسیدهای نیتروژن (NOx​) را در طول واکنش به حداقل برساند.

توسعه و استقرار گسترده فناوری حلقه شیمیایی با چالش‌های مهمی همراه است. عمده‌ترین این چالش‌ها به ویژگی‌های حامل‌های اکسیژن مربوط می‌شود : طراحی موادی با پایداری مکانیکی بالا (به‌ویژه در بسترهای سیال)، کارایی واکنش‌پذیری مناسب در چرخه‌های مکرر اکسیداسیون و احیا، مقاومت در برابر تجمع ذرات (agglomeration) و نقطه ذوب بالا برای تحمل دماهای عملیاتی. علاوه بر این، عملیاتی کردن این فرآیند در فشارهای صنعتی بالا نیز چالش دیگری است که برای دستیابی به راندمان کلی بالا باید بر آن غلبه کرد.

با این حال، فرصت‌های مهمی برای پیشرفت در این زمینه وجود دارد. مطالعات نشان داده‌اند که استفاده از اکسیدهای فلزی ترکیبی (Composite Metal Oxides) مانند Ca/Cu، می‌تواند با امکان جفت شدن واکنش‌های گرماگیر و گرماده در یک ماتریس جامد، منجر به افزایش کارایی جذب و کاهش هزینه‌های تجهیزات شود. همچنین، بهبودهای طراحی فرآیند، نظیر گنجاندن بسترهای بازیابی حرارت اضافی، پتانسیل کاهش جریمه انرژی را تا 6-8% دارد. این پیشرفت‌ها، مسیر را برای استقرار کامل فناوری حلقه شیمیایی در آینده هموار می‌سازند.

جذب مستقیم هوا (Direct Air Capture – DAC)

جذب مستقیم CO₂​ از هوای محیط، که به اختصار DAC نامیده می‌شود، به عنوان یک رویکرد پیشگامانه برای حذف کربن دی‌اکسید از جو مطرح است. این فناوری، برخلاف روش‌های سنتی که منابع نقطه‌ای بزرگ انتشار را هدف قرار می‌دهند، قادر است سطح کلی CO₂​ اتمسفری را کاهش دهد. علاوه بر این، DAC می‌تواند مشکل حمل و نقل حجم زیادی از CO₂​ از منابع انتشار به سایت‌های مناسب برای ذخیره‌سازی زمین‌شناختی را به حداقل برساند.

ماهیت فوق‌العاده رقیق CO₂​ در هوا (تقریباً 400 ppm) چالش‌های تکنولوژیکی  را برای DAC ایجاد می‌کند. برای این فناوری، به مواد جاذبی نیاز است که دارای تمایل اتصال قوی به CO₂​ (جذب شدید در فشارهای جزئی پایین) و گزینش‌پذیری بسیار بالا نسبت به CO₂​/N₂​ باشند. در حال حاضر، هزینه تخمینی DAC به طور قابل توجهی بالاتر از هزینه جذب از منابع نقطه‌ای بزرگ است (30-1000 دلار آمریکا بر تن در مقابل 30-100 دلار آمریکا بر تن). همچنین، برای پیاده‌سازی این فناوری در مقیاس وسیع، به توسعه مواد با دوام بالا و هزینه پایین نیاز  است.

با این وجود، فرصت‌های قابل توجهی برای پیشرفت DAC وجود دارد. تحلیل‌های ترمودینامیکی نشان داده‌اند که فرآیند جذب نوسان دما (TSA) از نظر ترمودینامیکی کارآمدتر از جذب نوسان فشار (PSA) برای کاربردهای DAC است. علاوه بر این، استفاده از حداقل مقدار انرژی، ایده‌آل از یک منبع تجدیدپذیر توزیع شده مانند انرژی حرارتی خورشیدی، می‌تواند به طور بالقوه امکان‌سنجی اقتصادی فرآیند DAC را افزایش دهد. این پیشرفت‌ها، مسیر را برای تجاری‌سازی و استقرار گسترده DAC در آینده هموار خواهند ساخت.

فرآیندهای ترکیبی (Hybrid Capture Processes)

ترکیب چند مسیر جذب در قالب فرآیندهای ترکیبی (Hybrid Processes)، رویکردی امیدوارکننده برای بهینه‌سازی کلی سیستم‌های جذب CO₂​ است. هدف اصلی این رویکرد، افزایش کارایی جداسازی و در عین حال کاهش هزینه‌های کلی فرآیند است.

این فرآیندهای یکپارچه می‌توانند به بهینه‌سازی هزینه، افزایش خلوص گاز خروجی، کاهش مصرف انرژی و افزایش پایداری فرآیند منجر شوند. به عنوان مثال، سیستم‌های ترکیبی مانند غشا-جذب نوسان و غشا-تقطیر مورد بررسی قرار گرفته‌اند. یک سیستم ترکیبی امیدوارکننده دیگر که پتانسیل صرفه‌جویی در انرژی را دارد، فرآیند غشا-کرایوژنیک (Membrane-Cryogenic) است که توسط American Air Liquide توسعه یافته است و جذب CO₂​ را در دماهای پایین (50- تا 20- درجه سانتی‌گراد) انجام می‌دهد.

جذب نوسان فشار-دما (Pressure-Temperature Swing Adsorption – PTSA)، این فرآیند ترکیبی قادر است در فشارهای و دماهای متوسط عمل کند و به این ترتیب، هزینه‌های انرژی برای جذب را کاهش دهد. مزیت کلیدی PTSA این است که نیاز به خلاء بالا که معمولاً در PSA برای دستیابی به CO₂​ با خلوص بالا لازم است، یا دمای بالایی که در TSA برای بازیابی بالا ضروری است، به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. این امر به عملیات کم‌هزینه‌تر، چرخه‌های سریع‌تر و عمر مفید طولانی‌تر جاذب منجر می‌شود.

با وجود پتانسیل بالای این سیستم‌ها، فرآیندهای ترکیبی هنوز نیازمند مطالعات عمیق‌تر از منظر امکان‌سنجی، طراحی فرآیند، انتخاب مواد و ارزیابی اقتصادی هستند. پیچیدگی عملیات و مسائل مرتبط نیز باید در نظر گرفته شود. با این حال، شواهد موجود حاکی از آن است که ترکیب سیستم‌ها، به ویژه به دلیل کارایی انرژی و مقرون به صرفه بودن (کاهش هزینه‌های سرمایه‌ای و عملیاتی)، آینده‌ای قابل‌اتکا برای توسعه صنعتی فناوری‌های جذب کربن خواهند بود. برای تجاری‌سازی این سیستم‌ها، تحقیقات بیشتر در زمینه توسعه مواد و الزامات عملیاتی فرآیند، و همچنین ارزیابی‌های هم‌افزایی و مقیاس‌بندی ضروری است.

مطالعه مقاله “مروری بر شاخص‌های کلیدی ارزیابی در زنجیره ارزش کربن” اینجا کلیک کنید.

جمع بندی

مدیریت انتشار کربن دی‌اکسید از جمله مهم‌ترین چالش‌های محیط‌زیستی و انرژی در جهان کنونی است. فناوری‌های جذب کربن​ راه‌حل‌های تکنولوژیکی حیاتی را برای کاهش این انتشارات و تامین بخشی از تقاضای فزاینده انرژی از طریق استفاده مجدد از کربن دی‌اکسید ​ فراهم می‌کنند. مسیرهای متعددی برای جذب CO₂​ توسعه یافته‌اند که هر کدام دارای مزایا و معایب خاص خود هستند و در مراحل مختلفی از توسعه قرار دارند.

فناوری‌های جذب (Absorption)، با وجود بلوغ و کارایی بالا، همچنان با چالش‌هایی نظیر هزینه‌های بالا و مصرف انرژی قابل توجه برای بازسازی حلال‌ها، خوردگی تجهیزات و تخریب حلال‌ها مواجه هستند. با این حال، پیشرفت‌هایی در حلال‌های جدید و بهینه‌سازی فرآیندها، مانند استفاده از مایعات یونی و آمین‌های پیشرفته، نویدبخش کاهش این محدودیت‌ها هستند.

فناوری‌های غشایی (Membrane)، رویکردی با پتانسیل بالای صرفه‌جویی در انرژی و سازگاری با محیط زیست ارائه می‌دهند. اما چالش‌هایی نظیر کارایی پایین برای جریان‌های گاز با فشار کم، هزینه‌های بالای ساخت غشاهای نوین، و مشکلاتی مانند انتخاب‌پذیری پایین و پایداری در برابر ناخالصی‌ها، مانع از تجاری‌سازی گسترده آن‌ها شده است. توسعه غشاهای کامپوزیت و با ماتریس مخلوط، فرصت‌های مهمی برای غلبه بر این موانع محسوب می‌شود.

جذب سطحی (Adsorption)، با استفاده از مواد متخلخل جامد، رویکردی امیدوارکننده برای جداسازی CO₂​ است. این روش می‌تواند بسیاری از محدودیت‌های فرآیندهای جذبی را برطرف کند. اما چالش‌هایی نظیر حساسیت به رطوبت، مسمومیت ناشی از آلاینده‌ها، سایش مکانیکی ذرات جاذب و نیاز به مدیریت حرارتی مؤثر، همچنان نیازمند توجه هستند. راه‌حل‌هایی مانند طراحی جاذب‌های ساختاریافته و کامپوزیت، و همچنین توسعه چرخه‌های سریع جذب-رهاسازی، می‌تواند به بهبود کارایی و مقیاس‌پذیری این فناوری کمک کند.

فناوری حلقه شیمیایی (Chemical Looping)، به دلیل قابلیت جداسازی ذاتی CO₂​ و کاهش انتشار NOx​، گزینه‌ای مقرون به صرفه با حداقل اتلاف انرژی تلقی می‌شود. با این حال، توسعه حامل‌های اکسیژن با پایداری و واکنش‌پذیری بالا، و همچنین عملیاتی کردن فرآیند در فشارهای صنعتی، از چالش‌های اصلی آن به شمار می‌روند. استفاده از اکسیدهای فلزی ترکیبی و بهینه‌سازی طراحی فرآیند، فرصت‌های کلیدی برای پیشرفت در این زمینه هستند.

جذب مستقیم هوا (Direct Air Capture – DAC)، با وجود پتانسیل انقلابی خود در کاهش CO₂​ جوی، با چالش‌های بزرگی نظیر غلظت بسیار پایین CO₂​ در هوا و هزینه‌های عملیاتی بالا مواجه است. توسعه مواد جاذب با تمایل و گزینش‌پذیری بالا، و بهره‌گیری از منابع انرژی تجدیدپذیر، از راهکارهای مهم برای کاهش هزینه‌ها و تجاری‌سازی آتی این فناوری هستند.

در نهایت، فرآیندهای ترکیبی جذب (Hybrid Capture Processes)، با ادغام مزایای چند فناوری، پتانسیل قابل توجهی برای بهینه‌سازی هزینه، افزایش خلوص گاز خروجی، کاهش مصرف انرژی و افزایش پایداری فرآیند دارند. گرچه این مسیرها هنوز نیازمند مطالعات عمیق‌تر از منظر طراحی، مواد و ارزیابی اقتصادی هستند، اما شواهد موجود حاکی از آن است که ترکیب سیستم‌ها، آینده‌ای قابل‌اتکا برای توسعه صنعتی فناوری‌های جذب CO2​ خواهند بود.

به طور خلاصه، با وجود پیشرفت‌های چشمگیر در سال‌های اخیر، اکثر فناوری‌های جذب کربن هنوز در مراحل اولیه توسعه (آزمایشگاهی) قرار دارند و برای تجاری‌سازی گسترده نیازمند غلبه بر چالش‌های هزینه‌ای، انرژی و پایداری مواد هستند.

مراجع

wiley online library