اهمیت کاتالیزوری زئولیتی در جلوگیری، مهار و ذخیره

گازگربنیک = (Carbon Dioxide caxtune and storage) CCS

زئولیت‌ها، کریستال‌های جامد آلومینیوم و سیلیس هستند که در طبیعت به فرم‌های متعدد پدیدار می‌‌شوند و همچنین می‌توانند به‌طور مصنوعی (سینتز) تولید شوند.

زئولیت‌ها می‌توانند آب و مواد دارای مولکولهای کوچک را جذب کنند و هنگام گرم شدن دوباره آزاد سازند بدون این‌که ساختار کریستالی آنها تخریب شود.

تا به‌حال بیش از 150 نوع زئولیت مصنوعی تولید و 48 زئولیت طبیعی شناخته شده است.

زئولیت‌های طبیعی از نظر کانی‌شناسی تحت عنوان گروه زئولیت خلاصه می‌شوند.


تاریخچه:

نام زئولیت از فرهنگ یونانی قدیم سرچشمه می‌گیرد و سنگی که می‌جوشد معنی می‌دهد و بر این استدلال است که این کانی هنگام گرم شدن می‌جوشد و علت آن این است که آب جذب شده آزاد می‌شود. این تعریف زئولیت در سال 1956 بوسیله کانی‌شناس سوئدی Baron Axel Feredrich مشخص شد.

از نیمه سال 1950 در صنعت بعنوان جذب‌کننده و مبادله‌گر یون مورد استفاده قرارگرفته است. در سال 1959 شرکت Unicon carborids برای اولین‌بار زئولیت Y را بعنوان جزوی از کاتالیزاتوم (تسریع‌کننده) مورد استفاده قرار داد.


ساختار:

زئولیت‌ها از یک ساختار چارچوبی میکرومنفذی از Sio4- وAlo4- چهارگوشه‌ای تشکیل شده‌اند که اتم‌های سیلیس و آلومینیوم بوسیله اتم‌های اکسیژن به یکدیگر متصل می‌شوند. به این وسیله و بنا به نوع ساختار منافذ و کانال‌های یکسان سبب می‌شوند. از این گذشته زئولیت‌ها بعنوان صافی می‌توانند استفاده شوند و مولکول‌هایی در منافذ زئولیت‌ها جذب می‌شوند که قطر کوچکتری نسبت به ساختار زئولیت‌ها دارند، بنابراین زئولیت‌ها تحت گروه مولکول‌های صافی و تصفیه‌کننده قرار می‌گیرند.

زئولیت‌ها منافذ و کانال‌های منظم شکل گرفته دارند که بنا به اندازه منفذ «میکرو و مزو» منفذ نامیده می‌شوند که در صنعت بعنوان کاتالیزاتور و بعنوان موادی که برای جداسازی مواد شیمیایی و خالص‌سازی آب در مواد شوینده بکار می‌روند.

بوسیله اتم‌های آلومینیوم با بار الکتریکی سه تایی که به آنها مواد اکسیژنی دوتایی تخصیص داده می‌شود، زئولیت‌ها چارچوب بار آنیونی دارند و به همین جهت در سطح درونی و بیرونی زئولیت‌های دارای آلومینیوم کاتیون وجود دارد.

در زئولیت‌های دارای آب این کاتیون‌های محلول در سیستم‌های کانالی زئولیت‌ها قرار دارند و به آسانی قابل استفاده و بدین وسیله قابل مبادله هستند.


اشکال مختلف (Modify):

زئولیت‌ها می‌توانند بوسیله مبادله یونی یا افزودن مواد شیمیایی فرم‌های دیگری پیدا کنند و هدف از تغییر فرم زئولیت‌ها اولاً افزایش تاثیر کاتالیزوری و ثانیا افزایش مقاوم‌سازی حرارتی و شیمیایی آنها است.

مثلا فرم‌هایی که اکثرا پدیدار می‌شوند، پیوست زدن اجزای فلزی برای عملکردهای (دوگانه) کاتالیزی مراکز با تاثیر زیادی می‌توانند بدست آیند.


مهار و ذخیره گازکربنیک = CCS

رسوب گازکربنیک حاصل از گازهای پس‌مانده انواع ماشین‌آلات و صنایع و غیره و تزریق (از طریق لوله) و ذخیره آنها در لایه‌های بدون محفظه در عمق زمین برای مدت طولانی و جداسازی آنها موضوع CCS است.

از طریق انباشتن و ذخیره‌سازی تلاش شده گازکربنیک کمتری در آتمسفر (محیط‌زیست) پدیدار شود، چرا که در آتمسفر بعنوان گاز گلخانه‌ای اثرگذار است و انتشار گازکربنیک علت اصلی گرم شدن جهانی است.

هم‌اکنون جداسازی و ذخیره گازکربنیک مراحل اولیه خود را طی می‌کند و سعی می‌شود تا اطمینان حاصل شود که گازکربنیک ذخیره شده با در نظر گرفتن اقدامات قبلی بمدت طولانی بدون زمان نامشخص در محل ذخیره گازکربنیک حفظ شوند.

استفاده از این تکنولوژی در نیروگاه‌ها به نظر می‌رسد، حداقل بین 20ـ10 سال به‌طول انجامد، البته ذخیره گازکربنیک در سیستم‌های زمین‌شناسی مثل ذخایر نفت، گاز و همچنین در کانال‌های آب‌های زیرزمین شور و ته‌نشین در دریاچه‌های عمیق یک امکان است.

به‌نظر اکثر محققان در رابطه با جلوگیری از پخش گازکربنیک/ رسوب در سنگ‌های رسوبی در اعماق زمین که منافذ آنها با آب شور پر شده، ترجیح داده می‌شود.

از 800 متر به پایین فشارهایی ظاهر می‌شوند که فشار گازکربنیک تزریق شده را خنثی می‌کنند و در حالت بالای نقطه بحرانی قرار دارد و اگر بخواهیم انتشار گازکربنیک به بیرون را مشکل حل شده بدانیم، باید این لایه بوسیله یک لایه پوشش‌دهنده مسدود شود.

در اثر فشار حاکم در آنجا گازکربنیک وزن مخصوص مشابه آب شور دارد که آب شور را از منافذ می‌راند و مکانی برای گازکربنیک با فشار موجود بوجود می‌آید، اما این آب‌شور به کجا رانده می‌شود، سوال تکنولوژی ‌CCS است.

اغلب به کنار رانده می‌شوند و در مسیرهای ضعیف جابه‌جا شده لایه زمین و دور از محل تزریق دوباره به بالا حرکت می‌کند و به آب‌های زیرزمینی نوشیدنی می‌رسد و آنها را آلوده می‌کند.

پس این روش CCS برای جلوگیری از پخش گازکربنیک موثر نیست.

همان‌طوری که قبلا اشاره شد، اهمیت کریستال‌های جامد زئولیت‌ها بعنوان کاتالیزور و در جلوگیری، مهار و ذخیره گازکربنیک هستند که بحث موردنظر ما در این مقاله علمی است.

کاتالیزور به معنی انحلال‌گر است، اگرچه هدف آن تبدیل‌گری است که در صنایع پتروشیمی نقش اساسی دارد و عمل کاتالیز یعنی آغاز/ شتاب و هدایت (نظم و ترتیب) واکنش‌های شیمیایی که با دخالت مواد خاص که همان کاتالیزور نامیده می‌شوند، انجام می‌گیرد.

گازکربنیک بعنوان سنگ‌های آهکی می‌تواند ته‌نشین شود (فرم بگیرد) و در لابراتوار بدون اینکه در اعماق زمین حفاری شود (تزریق) انباشته شود.

و در این رابطه، مواد اولیه سیلیکات‌ها مورد سوال قرار می‌گیرند، بخصوص سیلیکات‌های فلزات قلیایی خاکی مثل منیزیم، کلسیم و غیره.

این سیلیکات‌ها با اسید کربنیک حل شده با برون‌گرمایی به سنگ‌های آهکی و اسید سیلیسک تبدیل می‌شوند (اهمیت تبدیل‌گری سیلیکات‌ها بعنوان کاتالیزور).

البته همه سیلیکات‌ها بخاطر پلیمر نبودن یا کمتر پلیمر بودن در سرعت‌بخشی به واکنش‌های شیمیایی موفقیت‌آمیز نیستند.

با استفاده از روش CCS در این رابطه رسوباتی مثل کربنات کلسیم و کربنات منیزیم از اسید سیلیسک ته‌نشین شده، سیلیسیم اکسید هستند که ذخیره‌سازی می‌شوند که این نمونه دیگری از اهمیت تبدیل‌گری سیلیکات‌ها بعنوان کاتالیزور است.

محققان دانشگاه کلمبیا نیویورک تحت سرپرستی پروفسور کلاس لاک رنر ثابت کرده‌اند که سنگ سیلیکات پریدودیت که از کانی اُلیوین و پیروکسن تشکیل شده، بدون تزریق گازکربنیک در اعماق زمین بسرعت به کربنات‌ها تبدیل می‌شوند، بنابراین استفاده از تکنیک درجا (Situ) این امکان را می‌دهد که از استخراج و ذخیره‌سازی صرف‌نظر کرد.

در این رابطه محققان بر این باورند که از طریق حفاری‌های متعدد تجزیه هیدرولیکی سنگ‌ها و گرمای اولیه، جایی که خودبخود فشارهای زیاد و حرارت حکمفرما هستند، می‌توان گازکربنیک را در مقیاس زیاد مهار کرد (Seqmesting)

روش دیگری هم غیر از استفاده کاتالیزوری سیلیکات‌ها وجود دارد و آن تزریق گازکربنیک به رگه‌های زغال‌ در اعماق زمین که امکان استخراج آن وجود ندارد، است.

سود این روش این است که گازکربنیک در زغال از طریق فیزیکی ضعیف جذب و ثابت می‌ماند و بدین‌ترتیب از گازهای پس‌مانده (Flue gas) موجود در زغال گاز متان رانده می‌شود و بعنوان منبع انرژی تمیز می‌تواند استخراج شود.

از سال 2008 تاکنون مبادله هیدرات‌های متان در سنگ‌های رسوبی در کف دریا در برابر گازکربنیک مورد تحقیق است.

استخراج تجاری ذخایر گاز هیدرات به‌منظور دستیابی به فسیل‌های دارای انرژی تاکنون فقط در سیبری غربی موسوم به تشکل پرمافروست (Permafrost) تحقق یافته است.

در ژاپن، ایالات متحده آمریکا، کانادا، کره‌جنوبی، چین، هند و کشورهای دیگر برنامه‌های استخراج متعددی انجام شده و هدف آنها این است که تقریبا در طی 10 سال استخراج با وسعت زیاد ذخایر هیدراتی زیر آب دریا را آغاز کنند.

موسسه لایپ نیتز در دانشگاه کیل آلمان در رابطه با علم دریاها در نظر دارد خسارات بزرگ آب و هوای جهانی را برطرف و متان بدست آمده از کف دریا را با گازکربنیک مبادله کند.



جمع‌آوری و ترجمه: مهندس یزدان بهدادفر