تغییرات اقلیمی به عنوان یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های جهانی در دهه‌های اخیر، تأثیرات منفی شدیدی بر محیط زیست، سلامت عمومی و زیرساخت‌های اقتصادی داشته است. یکی از عوامل اصلی این تغییرات، افزایش سطح گازهای گلخانه‌ای به ویژه کربن دی‌اکسید (CO₂) در جو زمین است که عمدتاً از سوخت‌های فسیلی و فرآیندهای صنعتی ناشی می‌شود. بیش از ۶۵ درصد از مجموع گازهای گلخانه‌ای تولیدشده توسط انسان، شامل کربن دی‌اکسید است که سهم عمده‌ای در گرم شدن کره زمین دارد. در این راستا، کاهش انتشار CO₂ و حذف آن از جو به یکی از اهداف اصلی جوامع علمی و صنعتی تبدیل شده است.
برای مطالعه مقاله “مروری بر مفهوم ردپای کربن (Carbon footprint)” اینجا کلیک کنید.
فناوری‌های مختلفی برای کاهش و جذب CO₂ توسعه یافته‌اند که از جمله آنها می‌توان به فناوری‌های جذب شیمیایی، جذب فیزیکی، جداسازی کرایوژنیک و جذب از طریق فناوری غشایی جذب کربن اشاره کرد. از میان این روش‌ها، فناوری غشایی جذب کربن به عنوان یکی از روش‌های نوین و کارآمد برای جداسازی CO₂ در صنایع مختلف مورد توجه قرار گرفته است. این فناوری دارای مزایای قابل توجهی همچون هزینه پایین‌تر، انرژی مصرفی کم و قابلیت مقیاس‌پذیری بالا است. علاوه بر این، فناوری غشایی برخلاف سایر روش‌ها، نیازی به مواد شیمیایی مضر یا مصرف انرژی بالای بخار ندارد و به همین دلیل به عنوان گزینه‌ای جذاب برای جذب CO₂ از گازهای خروجی نیروگاه‌ها، کارخانه‌ها و دیگر صنایع آلاینده مطرح است.
برای مطالعه مقاله “مروری بر فرایندهای جذب و ذخیره‌سازی کربن دی اکسید (CCUS)” اینجا کلیک کنید.
فناوری غشایی برای جذب CO₂
فناوری غشایی جذب کربن به مجموعه‌ای از روش‌ها اطلاق می‌شود که در آن یک غشا به عنوان جداساز عمل می‌کند تا مولکول‌های خاصی را از میان یک جریان گازی یا مایع عبور دهد، در حالی که مولکول‌های دیگر را از عبور منع می‌کند. در فرآیند جذب CO₂، این غشاها به طور خاص طراحی می‌شوند تا کربن دی‌اکسید را از سایر گازها جدا کنند و به این‌ترتیب CO₂ را از جریان گازی، مانند گازهای خروجی نیروگاه‌ها، جداسازی کنند. فناوری غشایی جذب کربن از آنجا که نیاز به مواد شیمیایی پیچیده و مصرف انرژی بالا ندارد یکی از گزینه‌های جذاب برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای به ویژه CO₂ در صنایع مختلف شناخته می‌شود.
مکانیزم‌های فرایند غشایی برای جداسازی گازها
غشاها برای جداسازی گازها از مکانیزم‌های مختلفی استفاده می‌کنند که بسته به نوع غشا (متخلخل یا غیرمتخلخل) و شرایط عملیاتی متفاوت هستند. این مکانیزم‌ها شامل موارد زیر هستند:
-
نفوذ کوندسن (Knudsen Diffusion)
این مکانیزم معمولاً در غشاهای متخلخل با اندازه منافذ بسیار ریز (کمتر از 1 نانومتر) عمل می‌کند. در این روش، مولکول‌های گاز به دلیل برخوردهای مکرر با دیواره‌های منافذ غشا، از آن عبور می‌کنند. این مکانیزم برای جداسازی گازهایی که قطر مولکولی مشابهی دارند، کاربرد دارد. در جذب CO₂ در غشاهای با منافذ ریز، به دلیل عبور راحت‌تر کربن دی اکسید نسبت به سایر مولکول‌های گازی، این مکانیزم مؤثر است.
-
غربالگری مولکولی (Molecular Sieving)
در این مکانیزم، غشاهای متخلخل اجازه می‌دهند که مولکول‌های کوچکتر از منافذ غشا عبور کنند، در حالی که مولکول‌های بزرگتر در خارج از غشا باقی می‌مانند. این روش به‌ویژه برای جداسازی مولکول‌های گازی که اندازه مولکولی مختلف دارند، کاربرد دارد و یکی از مهم‌ترین روش‌ها برای جداسازی CO₂ از گازهای دیگر مانند نیتروژن و اکسیژن است.
-
نفوذ سطحی (Surface Diffusion)
در این مکانیزم، مولکول‌های گاز ابتدا روی سطح غشا جذب شده و سپس از آن عبور می‌کنند. این فرایند بیشتر در غشاهایی که سطح فعال دارند، مانند غشاهای پلیمری با گروه‌های شیمیایی فعال، اتفاق می‌افتد. برای CO₂ که تمایل زیادی به جذب روی سطح دارد، این مکانیزم می‌تواند کارایی مناسبی داشته باشد.
-
چگالش مویی (Capillary Condensation)
این فرایند زمانی اتفاق می‌افتد که گاز تحت شرایط خاصی در منافذ بسیار ریز غشا چگالش پیدا کند. این مکانیزم بیشتر در شرایطی که فشار و دما به گونه‌ای تنظیم شده باشد که گاز به‌طور مایع در داخل منافذ غشا تبدیل شود، کارایی دارد. این روش به‌ویژه برای گازهایی مانند CO₂ که می‌توانند در شرایط خاص به‌راحتی چگالش پیدا کنند، مفید است.
-
مکانیزم حل-انتشار (Solution Diffusion)
این مکانیزم در غشاهای غیرمتخلخل (غشاهای پلیمری) که گاز ابتدا در داخل غشا حل می‌شود و سپس از آن عبور می‌کند، مشاهده می‌شود. این مکانیزم برای گازهایی مانند CO₂ که دارای انحلال بالا در پلیمرهای خاص هستند، بسیار مناسب است. CO₂ به‌راحتی در داخل غشا حل شده و از آن عبور می‌کند. این مکانیزم به‌ویژه در غشاهای پلیمری مورد استفاده قرار می‌گیرد و یکی از روش‌های اصلی در جذب CO₂ است.
-
مکانیزم انتقال تسهیل‌شده (Facilitated Transport)
در این مکانیزم، گازهای خاصی مانند CO₂ با استفاده از حامل‌هایی که به طور شیمیایی با گاز واکنش می‌دهند، از غشا عبور می‌کنند. این فرآیند شامل سه مرحله است:
- واکنش گاز با حامل: در طرف ورودی غشا، گاز (مانند CO₂) با حامل‌ها (مثل آمین‌ها) واکنش می‌دهد.
- انتقال گاز-حامل از غشا: گاز-حامل به طرف دیگر غشا منتقل می‌شود.
- تجزیه گاز از حامل: در طرف خروجی، حامل گاز را آزاد کرده و گاز از غشا عبور می‌کند.
این مکانیزم معمولاً در غشاهای ویژه‌ای که حامل‌های شیمیایی دارند، مانند غشاهای facilitated transport membranes (FTM)، به کار می‌رود. در این غشاها، انتقال CO₂ سریع‌تر و با دقت بالاتر انجام می‌شود.
انواع غشاها و مواد مورد استفاده در فناوری غشایی
برای جذب CO₂، غشاها می‌توانند از مواد مختلفی ساخته شوند که از نظر ساختاری و شیمیایی با یکدیگر تفاوت دارند. عمدتاً غشاها به دو دسته تقسیم می‌شوند:
غشاهای پلیمری و غشاهای غیرآلی.
غشاهای پلیمری:
غشاهای پلیمری از مواد مصنوعی ساخته می‌شوند و به‌طور گسترده در فناوری غشایی استفاده می‌شوند. این غشاها به دلیل هزینه پایین، انعطاف‌پذیری بالا و سهولت در ساخت یکی از محبوب‌ترین انتخاب‌ها برای جذب CO₂ هستند. معمول‌ترین پلیمرهایی که در این غشاها به کار می‌روند شامل پلی‌اتیلن اکسید (PEO)، پلی‌آمین‌ها، پلی‌امیدها و پلی‌سولفون‌ها هستند. این مواد به دلیل ویژگی‌های مکانیکی خوب و قابلیت تعدیل نفوذپذیری و انتخاب‌پذیری برای جذب CO₂ بسیار مناسب هستند. با این حال، برخی از غشاهای پلیمری ممکن است در مواجهه با CO₂ و دیگر گازهای آلاینده دچار مشکل پلاستیسیته (Swelling) و تغییرات شیمیایی شوند.
غشاهای غیرآلی:
این غشاها معمولاً از مواد سخت و مقاوم ساخته می‌شوند که در دماهای بالا و شرایط سخت شیمیایی عملکرد بهتری دارند. مواد مورد استفاده در غشاهای غیرآلی شامل سیلیکات‌ها، اکسیدهای فلزی و نانو لوله‌های کربنی هستند. غشاهای غیرآلی به‌طور کلی از غشاهای پلیمری انتخابی‌تر هستند و از این رو عملکرد بهتری در جداسازی CO₂ دارند. اما از سوی دیگر، ساخت این غشاها پیچیده‌تر است و هزینه تولید آنها بیشتر از غشاهای پلیمری است.
غشاهای ماتریس مختلط (Mixed-Matrix Membranes – MMMs):
این نوع غشاها ترکیبی از مواد پلیمری و غیرآلی هستند که برای بهره‌برداری از مزایای هر دو نوع ماده طراحی شده‌اند. MMMs به‌ویژه برای جداسازی CO₂ از گازهای خروجی مناسب هستند، زیرا می‌توانند ویژگی‌های نفوذپذیری و انتخاب‌پذیری غشاهای پلیمری را با خواص مکانیکی و شیمیایی غشاهای غیرآلی ترکیب کنند. مواد غیرآلی به کار رفته در این غشاها معمولاً شامل فریم‌های فلزی-آلی (MOFs)، زئولیت‌ها و نانوکامپوزیت‌ها هستند.
در کل، انتخاب نوع غشا بستگی به ویژگی‌های گازهای ورودی (مانند غلظت CO₂، دما و فشار) و الزامات خاص فرآیند صنعتی دارد. غشاهای پلیمری به‌طور کلی برای شرایط عملیاتی با دما و فشار پایین‌تر مناسب‌ترند، در حالی که غشاهای غیرآلی و MMMs برای شرایط سخت‌تر و کاربردهای با نیاز به انتخاب‌پذیری بالا بیشتر توصیه می‌شوند.
فرآیند تولید غشای پلیمری و غیرآلی
فرآیندهای تولید غشاهای پلیمری و غیرآلی برای جذب CO₂ از گازهای خروجی فرآیندهای صنعتی به‌طور گسترده‌ای در حال تحقیق و توسعه هستند. در این بخش، به شرح فرآیندهای ساخت غشاها، نحوه جذب CO₂ در این غشاها و همچنین پارامترهای مؤثر بر عملکرد آنها پرداخته می‌شود.
الف: فرآیندهای تولید غشاهای پلیمری
غشاهای پلیمری معمولاً از پلیمرهایی همچون پلی‌اتیلن، پلی‌سولفون، پلی‌پروپیلن و پلی‌پیدین ساخته می‌شوند. این غشاها به‌طور عمده با استفاده از فرآیندهای مختلفی چون ریخت‌گری، اکستروژن و فرآیندهای قالب‌گیری تولید می‌شوند. در این فرآیندها، پلیمرهای مذاب یا محلول در قالب‌های خاص قرار می‌گیرند تا به صورت یک غشای نازک و صاف شکل بگیرند. مراحل تولید شامل موارد زیر است؛
- تهیه محلول پلیمری: در این مرحله، پلیمرهای انتخابی در حلال‌های مناسب حل می‌شوند تا محلول مناسبی برای غشاسازی تهیه شود.
- ریخت‌گری یا قالب‌گیری: محلول پلیمری در قالب‌های خاص ریخته می‌شود و پس از سخت شدن، به شکل غشاهای نازک تبدیل می‌شود.
- خشک‌سازی: غشاهای تولید شده خشک شده و سپس تحت فرآیندهای حرارتی قرار می‌گیرند تا ویژگی‌های مکانیکی و نفوذی آنها بهبود یابد.
- حذف حلال: در برخی از فرآیندها، پس از تولید غشا، حلال‌ها از غشا خارج می‌شوند تا غشا به شکل نهایی خود برسد.
غشاهای پلیمری معمولاً از مکانیزم حل و انتشار (solution-diffusion) برای جداسازی CO₂ استفاده می‌کنند. در این مکانیزم، CO₂ ابتدا در سطح غشا حل می‌شود، سپس از طریق ساختار غشا منتشر شده و در طرف دیگر آزاد می‌شود.
ب: فرآیندهای تولید غشاهای غیرآلی
غشاهای غیرآلی بیشتر از مواد معدنی مانند زئولیت‌ها، سیلیکا، اکسیدهای فلزی و کربن ساخته می‌شوند. این غشاها معمولاً از مکانیزم غربالگری مولکولی (molecular sieving) برای جداسازی گازها استفاده می‌کنند. در این فرآیند، تنها مولکول‌هایی که اندازه یا ویژگی‌های خاصی دارند می‌توانند از درون ساختار غشا عبور کنند. مراحل تولید شامل موارد زیر است؛
- تهیه پودر مواد معدنی: مواد معدنی مانند زئولیت یا سیلیکا به صورت پودرهای ریز تهیه می‌شوند.
- فرآیند سنتز غشا: پودرهای مواد معدنی در دمای بالا یا تحت شرایط خاص با استفاده از روش‌هایی مانند پوشش‌دهی یا ترکیب مستقیم به غشاهای نازک تبدیل می‌شوند.
- حرارت‌دهی: پس از تولید غشا، آنها در دمای بالا تحت فرآیندهای حرارتی قرار می‌گیرند تا ویژگی‌های مکانیکی و پایداری شیمیایی آنها بهبود یابد.
غشاهای غیرآلی به دلیل پایداری شیمیایی و دمایی بالا، مناسب برای فرآیندهایی هستند که نیاز به مقاومت در برابر دماهای بالا و محیط‌های خورنده دارند.
فناوری غشایی جذب کربن در غشاهای پلیمری و غیرآلی
جذب CO₂ در غشاها به فرآیندی اطلاق می‌شود که طی آن گاز CO₂ ابتدا به سطح غشا جذب شده و سپس از طریق ساختار غشا به طرف دیگر آن نفوذ می‌کند. همانطور که قبلا اشاره شد، این فرآیند معمولاً بر اساس مکانیزم‌های حل و انتشار (solution-diffusion) در غشاهای پلیمری و غربالگری مولکولی (molecular sieving) در غشاهای غیرآلی صورت می‌گیرد. در غشاهای پلیمری، CO₂ با حل شدن در غشا، وارد آن می‌شود و سپس به‌واسطه تفاوت فشار، از طرف دیگر غشا عبور می‌کند. در غشاهای غیرآلی، این فرآیند به‌واسطه اندازه منافذ و ساختار مواد، جداسازی گازها را تسهیل می‌کند، به‌ویژه هنگامی که گازها دارای اندازه مولکولی مشخص و خاصی باشند. انتخاب نوع غشا و فرآیند جذب به ویژگی‌های خاص گاز CO₂ و شرایط عملیاتی بستگی دارد.
پارامترهای مؤثر بر عملکرد فرآیند جذب CO₂ در غشاها
عملکرد غشاهای گازهای جداکننده تحت تأثیر پارامترهای مختلفی قرار می‌گیرد که در زیر به برخی از آنها اشاره می‌شود:
- انتخاب‌پذیری (Selectivity): انتخاب‌پذیری به توانایی غشا در جداسازی گازها از یکدیگر اشاره دارد. هر چه انتخاب‌پذیری بالاتر باشد، غشا قادر است CO₂ را با خلوص بالاتری از دیگر گازها جدا کند.
- نفوذپذیری (Permeability): نفوذپذیری به توانایی غشا در عبور گاز از درون آن اشاره دارد. هرچه نفوذپذیری بالاتر باشد، سرعت جداسازی CO₂ از گازهای دیگر بیشتر خواهد بود.
- دمای عملیاتی (Operating Temperature): دما بر روی نفوذپذیری و انتخاب‌پذیری غشاها تأثیر می‌گذارد. برای غشاهای پلیمری، دماهای بالا می‌توانند باعث پلاستیک شدن غشا شوند، در حالی که غشاهای غیرآلی معمولاً در دماهای بالا عملکرد بهتری دارند.
- پوشش و ساختار غشا (Membrane Structure and Coating): غشاهای پوشش‌دار یا ترکیبی معمولاً عملکرد بهتری در جداسازی دارند، زیرا می‌توانند خواص سطحی و نفوذی را به‌طور همزمان بهبود دهند.
- ترکیب گاز ورودی (Feed Gas Composition): ترکیب گازهای ورودی به غشا تأثیر زیادی بر عملکرد آن دارد. غشاها برای ترکیب خاصی از گازها طراحی می‌شوند و غلظت CO₂ در گاز ورودی باید در محدوده‌ای باشد که غشا قادر به جداسازی مؤثر آن باشد.
- رطوبت (Moisture Content): رطوبت موجود در گاز ورودی می‌تواند بر عملکرد غشا تأثیرگذار باشد. در غشاهای پلیمری، رطوبت می‌تواند به‌طور مثبت یا منفی بر عملکرد غشا تأثیر بگذارد، بسته به نوع غشا و نوع گاز. غشاهای غیرآلی معمولاً مقاوم‌تر در برابر رطوبت هستند و برای کاربردهایی که شامل گازهای مرطوب می‌شوند مناسب‌ترند.
این پارامترها باید به‌دقت در طراحی و انتخاب غشاها مدنظر قرار گیرند تا عملکرد بهینه و اقتصادی در فرآیند جذب CO₂ حاصل شود.
مقایسه سایر فرایندهای جذب CO₂ با یکدیگر
در مقایسه با دیگر فناوری‌های جذب CO₂، استفاده از غشاهای گاز جداساز مزایای زیادی دارد که باعث توجه بیشتر به آنها در صنعت جذب CO₂ شده است. در این بخش، به بررسی مقایسه‌ای بین فناوری غشایی جذب کربن و دیگر فناوری‌های جذب CO₂ پرداخته می‌شود.
جذب شیمیایی (Chemical Absorption):
جذب شیمیایی با استفاده از حلال‌های آلی مانند مونواتانول آمین از جمله قدیمی‌ترین و بالغ‌ترین فناوری‌های جذب CO₂ است. این روش به‌ویژه برای جداسازی CO₂ از گازهای احتراق با غلظت‌های پایین مناسب است. مزیت اصلی این فناوری در ظرفیت بالای جذب CO₂ است. با این حال، این روش به دلیل نیاز به انرژی زیاد برای بازیابی حلال‌ها و مصرف بالای بخار برای تجدید حلال‌ها، هزینه‌های عملیاتی بالایی دارد و می‌تواند موجب ایجاد آلودگی‌های محیط‌زیستی از حلال‌ها شود.
جذب فیزیکی (Physical Adsorption):
در جذب فیزیکی، CO₂ بر روی سطح مواد جاذب (مانند زئولیت‌ها و کربن‌های فعال) جذب می‌شود. این روش به‌طور معمول برای گازهای با غلظت بالای CO₂ مانند گاز طبیعی یا گاز بیوگاز به‌کار می‌رود. یکی از مزایای این روش، نیاز کم به انرژی در فرآیند بازیابی گاز است. در عوض، معایب این روش شامل ظرفیت جذب محدود در مقایسه با جذب شیمیایی و نیاز به جاذب‌های گران‌قیمت است.
جداسازی سرمایشی (Cryogenic Separation):
جداسازی سرمایشی از تکنولوژی‌هایی است که برای جداسازی CO₂ از گازهایی با غلظت بالا و دمای پایین استفاده می‌شود. این روش می‌تواند CO₂ را با خلوص بالا جدا کند، اما نیاز به مصرف بالای انرژی برای تولید سرمایش و فشرده‌سازی دارد، که این امر باعث افزایش هزینه‌های عملیاتی می‌شود.
فناوری غشایی (Membrane Separation):
فناوری غشایی جذب کربن به ویژه در سال‌های اخیر توجه زیادی را جلب کرده است، زیرا این روش برخلاف دیگر فناوری‌ها نیاز به استفاده از مواد شیمیایی یا انرژی زیاد برای بازیابی ندارد. در این فناوری، غشاهای گاز جداساز به‌طور انتخابی CO₂ را از گازهای دیگر جدا می‌کنند. مزیت عمده این فناوری در کاهش هزینه‌های سرمایه‌ای و عملیاتی، سادگی در طراحی و مقیاس‌پذیری آسان آن است. با این حال، محدودیت‌های عملکرد مانند نیاز به غشاهای با نفوذپذیری بالا و انتخاب‌پذیری مناسب برای غلظت‌های پایین CO₂ از جمله چالش‌ها محسوب می‌شود.
نتیجه‌گیری و جمع‌بندی
فناوری غشایی جذب کربن به عنوان یکی از روش‌های نوین و کارآمد در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، به‌ویژه CO₂، در صنایع مختلف معرفی شده است. با توجه به مزایای قابل توجهی همچون هزینه‌های پایین‌تر، مصرف انرژی کم و مقیاس‌پذیری آسان، فناوری غشایی به یکی از گزینه‌های جذاب در فرآیند جذب CO₂ از گازهای خروجی تبدیل شده است. همچنین، غشاهای پلیمری و غیرآلی، همراه با مکانیزم‌های مختلف جداسازی مانند نفوذ کوندسن، غربالگری مولکولی و حل-انتشار، عملکرد مناسبی در جذب CO₂ از گازهای آلاینده دارند.
با این حال، چالش‌هایی همچون نیاز به غشاهایی با نفوذپذیری بالا و انتخاب‌پذیری مناسب برای غلظت‌های پایین CO₂، به‌ویژه در گازهای خروجی نیروگاه‌ها و صنایع مختلف، همچنان وجود دارد. علاوه بر این، مشکلات مرتبط با پایداری غشاها در شرایط عملیاتی سخت، دمای بالا و رطوبت، نیاز به توجه بیشتر در انتخاب مواد غشایی مناسب و توسعه غشاهای ترکیبی و نوآورانه دارد. در آینده، پیشرفت‌های بیشتر در زمینه مواد غشایی، به‌ویژه غشاهای ماتریس مختلط (MMMs) و ترکیب فناوری غشایی با سایر روش‌ها می‌تواند به حل این چالش‌ها کمک کند و این فناوری را به گزینه‌ای مؤثرتر و تجاری‌تر در جذب CO₂ تبدیل نماید.
