جداسازی گاز دی‌اکسید کربن به کمک نانوکامپوزیت‌های متخلخل

امروزه بیش از 90 درصد انرژی مورد نیاز دنیا از جمله برق و گرما، از سوخت‌های فسیلی تأمین می‌شود. این واقعیت موجب افزایش میزان دی اکسید کربن شده است. دی اکسید کربن مهمترین گاز گلخانه‌ای است و به تنهایی حدود 82 درصد گازهای گلخانه‌ای را شامل می‌شود. با توجه به اینکه مقدار این گاز در اتمسفر به سرعت در حال افزایش است، کنترل میزان آن در اتمسفر بسیار ضروری است و اهمیت آن برای کشورهای در حال توسعه، بیشتر از کشورهای توسعه یافته است.

به گفته‌ی دکتر منصور انبیاء- عضو هیأت علمی دانشگاه علم و صنعت ایران، با توجه به حجم فعالیت‌های صنعتی نفت و گاز و پتروشیمی در ایران، کشور ما نیز از این قاعده مستثنی نیست. بنابراین، بررسی و به کارگیری روش‌های مرسوم و همچنین روش‌های جدید برای جداسازی دی‌اکسید کربن از جریان‌های گازی مختلف و هوا، امری اجتناب‌ناپذیر است.

انبیاء با اشاره به این مطلب که یک زمینه‌ی مهم استفاده از مواد نانومتخلخل، کاربرد آن‌ها در فرآیندهای جداسازی است، هدف این طرح را اینگونه شرح داد: «مواد نانومتخلخل با پتانسیل فوق العاده بالایی که برای استفاده در فرآیندهای جداسازی دارند، به عنوان یکی از امیدوارکننده‌ترین ابزارها برای این گونه فرآیندها شناخته شده‌اند. در این طرح نیز، نانوکامپوزیتی شامل نانولوله‌های کربنی چند دیواره تحت شرایط هیدروترمال طراحی شده است که بتواند گاز دی‌اکسید کربن را با ظرفیت و انتخاب‌پذیری بالایی از سایر جریان‌های گازی جدا کند.»

به گفته‌ی این محقق، در این پژوهش شبکه فلز-آلی MOF-199 برای جذب گازهای دی‌اکسید کربن (CO₂) و متان (CH₄) انتخاب شده است.

انبیاء در ادامه توضیح داد: «البته به منظور افزایش حساسیت و بهبود کارایی، شبکه فلز-آلی سنتز شده با نانولوله‌های کربنی و گروه‌های آمینی پی‌پیرازین اصلاح گردیده است. نتایج نشان داد بعد از افزودن پی‌پیرازین به نانوکامپوزیت، ظرفیت جذب گازCO₂ افزایش و ظرفیت جذب گاز CH₄ کاهش پیدا کرده است. در نتیجه اختلاف در ظرفیت جذبی بین گازهایCO₂ و CH₄افزایش می‌یابد که منجر به انتخاب‌پذیری جذبی بالا برای گازهای CO₂/CH₄ در کامپوزیت‌های پی‌پیرازینی می‌شود.»

این محقق مزیت‌های مهم استفاده از روش جذب سطحی را بدین شرح بیان کرد: «استفاده از روش جذب سطحی توسط جامدات، به دلیل نداشتن مشکلات خورندگی، غیر سمی بودن و عدم نیاز به تعویض جاذب، بسیار کاربردی هستند. لذا فرآیند جذب سطحی بر روی شبکه‌های جامد به عنوان یک روش برای حذف گازهای آلاینده، منجر به کاهش آلودگی محیط زیست شده و از طرفی با انتخاب جاذب مناسب با عملکرد بالا می‌توان هزینه‌ها را به مقدار قابل توجهی به حداقل رساند.»

وی در خصوص علت انتخاب شبکه فلز-آلی MOF-199 نیز عنوان کرد: «مساحت سطح بالا، حجم حفرات زیاد و روش سنتز آسان و مقرون به صرفه، با مواد اولیه‌ی قابل دسترس و ارزان قیمت نسبت به سایر انواع شبکه فلز-آلی دلیل اصلی انتخاب آن بوده است. همچنین حضور یون‌های اشباع‌نشده در ساختار شبکه MOF-199 عامل مهمی برای جذب با ظرفیت بالا برای گاز CO₂محسوب می‌شود.»

گفتنی است در این طرح، ساختار نانوکامپوزیت‌ها و نانو مواد متخلخل سنتز شده با روش‌های شناسایی مانند روش جذب -واجذب نیتروژن، پراش اشعه ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، وزن سنج گرمایی (TGA) و اسپکتروسکوپی زیر قرمز تبدیل فوریه(FT-IR)  بررسی گردیده است. نتایج حاصل از ظرفیت جذب و انتخاب‌پذیری گازهای CO₂ و CH₄ بر روی جاذب‌های سنتز شده نیز به روش حجم‌سنجی بررسی شده است.

این تحقیقات حاصل همکاری دکتر منصور انبیاء- عضو هیأت علمی دانشگاه علم و صنعت ایران و سمیرا صالحی- دانشجوی دکترای این دانشگاه است. نتایج این کار در مجله‌ی Energy & Fuels با ضریب تأثیر 3/09 ( جلد 31، سال 2017، صفحات 5376 تا 5384) به چاپ رسیده است.