راهکار نوین محققان دانشگاه تهران برای جداسازی دی‌اکسید کربن از پساب‌های صنعتی

به گزارش شبکه اطلاع رسانی راه دانا؛ در پژوهشی که در قالب یک کار پژوهشی مشترک با همکاری دکتر معصومه فروتن، استاد دانشکده شیمی دانشکدگان علوم دانشگاه تهران؛ دکتر عباسعلی خدادادئی و دکتر یداله مرتضوی، اساتید دانشکده مهندسی شیمی دانشکدگان فنی دانشگاه تهران؛ و پژوهشگرانی از دانشگاه بیرمنگام بریتانیا، دانشگاه لاوال کانادا و دانشگاه فناوری لولئو سوئد انجام شد، محققان از آزمایش‌های تجربی و شبیه‌سازی‌های مونت‌کارلو (Monte Carlo molecular simulation) برای بررسی جذب CO₂ روی جاذب سیلیکا استفاده و سازوکار جذب و مکان‌های فعال‌شده جاذب را تحلیل کردند.

فروتن، درباره اهمیت این تحقیق گفت: با توجه به افزایش دی‌اکسید کربن تولیدشده در جهان در نتیجه فعالیت‌های صنعتی و تأثیر این گاز در آلودگی محیط زیست، گرم شدن کره زمین و تغییرات اقلیمی، یافتن راهکارهای نوین برای جذب این گاز در دستور کار بسیاری از مراکز پژوهشی در سراسر جهان قرار دارد. در پژوهش حاضر، برای نخستین بار از گروه عاملی استات (acetate functional group) بر روی سیلیکا (silica) برای جذب دی‌اکسید کربن استفاده شده است. برخلاف سایر مطالعات که از گروه‌های عاملی رایج مانند آمین‌ها (Amine) بهره می‌برند، این کار نوآورانه از گروه‌هایی با خاصیت الکترون‌دهی بهره برده و قابلیت تعامل قوی‌تر جاذب با CO₂ را آشکار کرده است.

استاد دانشکده شیمی گفت: استفاده همزمان از داده‌های تجربی و شبیه‌سازی‌های مونت‌کارلو باعث افزایش دقت در تحلیل سازوکار جذب و تعیین مکان‌های فعال شده و نتایج را از لحاظ علمی معتبرتر کرده و درک عمیق‌تری از فرایند جذب و نقش گروه‌های عاملی در گزینش‌پذیری گازها فراهم کرده است.

وی همچنین درباره کاربرد این روش گفت: از دیدگاه کاربردی، عملکرد بسیار بالای این جاذب در دما و فشارهای پایین، آن را برای کاربردهای صنعتی مانند جذب و جداسازی CO₂ از جریان‌های گازی نظیر پساب‌های صنعتی مناسب می‌سازد.

فروتن با بیان اینکه انتخاب‌پذیری بالای CO₂ نسبت به N₂ این ماده را برای فرایندهای جذب انتخابی در صنایع پتروشیمی و کاهش اثرات گازهای گلخانه‌ای ارزشمند می‌سازد، تأکید کرد: «این تحقیق پایه‌ای برای توسعه جاذب‌های جدید با کارایی بالا و هزینه پایین در فناوری‌های جذب گاز اهمیت دارد.

عضو هیأت علمی دانشکدگان علوم درباره نحوه انجام این پژوهش گفت: در این کار ابتدا جذب گازهای CO₂، CH₄، N₂ و H₂ به‌صورت تجربی در بازه دمایی ۲۵۳ تا ۳۷۳ کلوین و بازه فشاری ۰ تا ۱۰۰ کیلوپاسکال اندازه‌گیری شد. در این آزمایش‌ها، CO₂ نسبت به سایر گازها جذب بسیار بالاتری نشان داد، به‌طوری‌که حداکثر میزان جذب در شرایط استاندارد حدود ۳۲ سی‌سی بر گرم در فشار ۱۰۰ کیلوپاسکال و دمای ۲۵۳ کلوین ثبت شد. داده‌های جذب به‌دست‌آمده، با ایزوترم‌های فروندلیش (Freundlich isotherm) قابل تطبیق بودند که این موضوع نشان‌دهنده وجود مکان‌های جذب ناهمگن است. برای درک بهتر این مکان‌های ناهمگن، از شبیه‌سازی‌های GCMC به منظور بررسی تأثیر اندازه حفره، دما، فشار، غلظت گروه‌های عاملی در ساختار سیلیکا و جذب رقابتی استفاده شد.

وی افزود: داده‌های شبیه‌سازی مطابقت خوبی با نتایج تجربی داشتند و نشان دادند که گروه‌های دارای اکسیژن یعنی کربونیل و اتر در گروه استات، نقش مکان‌های جذب را ایفا می‌کنند. این مکان‌ها تعامل قوی اسید-باز لوئیس با مولکول‌های CO₂ از خود نشان دادند. داده‌های GCMC همچنین جذب انتخابی CO₂ نسبت به N₂ را نشان دادند، به‌طوری که در یک مخلوط گازی دوتایی ۱۰٪ CO₂ و ۹۰٪ N₂، گزینش‌پذیری جذب برای CO₂ به مقدار ۲۰ رسید.

 فروتن در پایان تاکید کرد: گروه عاملی استات که در این پژوهش برای نخستین بار از آن برای جذب CO₂ بر روی سیلیکا استفاده شده است، به دلیل ویژگی‌های الکترون‌دهی گروه‌های کربونیل و اتر، قادر به برقراری تعامل بهتر جاذب با اتم‌های کربن مولکول‌های CO₂ است.