روش های جذب و جداسازی دی اکسید کربن

جذب دی اکسید کربن در سالهای اخیر اهمیت ویژه ای یافته است. همانطور که می دانید سالیانه مقدار زیادی کربن دی اکسید از منابع متفاوتی مانند نیروگاه ها، آتش سوزی های جنگل ها، سوخت های فسیلی و … وارد اتمسفر می شود به طور مثال گار خروجی از نیروگاه های برق به تنهایی حاوی 12 درصد از این ماده است. ورود این آلاینده باعث تغییرات آب و هوا، گرمایش جهانی، تولید گاز های گلخانه ای و اثرات منفی مانند آب شدن یخچال های طبیعی می شود، مواردی که ذکر شد سبب توجه بیشتر به روش های جذب و جداسازی این آلاینده از هوا گردیده است.در ادامه این مقاله ابتدا با این ماده آشنا می شویم و سپس به روش های جذب آن خواهیم پرداخت.

دی اکسید کربن چیست؟

دی اکسید کربن یک گاز بی رنگ و اشتعال ناپذیر در دما و فشار نرمال است. میزان آن نسبت به نیتروژن و اکسیژن در جو زمین کمتر بوده و یکی از گازهای بسیار مهم در هوا است. مولکول دی اکسید کربن از دو اتم اکسیژن و کربن با نسبت 2 به 1 تشکیل شده است و به صورت CO2 نوشته می شود. این ترکیب یک گاز گلخانه ای است که به حفظ گرما در اتمسفر کمک می کند و بدون آن سیاره ما به یک سیاره سرد تبدیل می شد.

این گاز بی بو یکی از چهار جز هوای خشک است. میزان دی اکسید کربن در هوا 400 ppmv است. این مقدار تا قبل از فعالیت های صنعتی انسان ها، حدود 270 ppmv است. این افزایش غلظت منجر به افزایش بیش از حد دمای زمین و آسیب های بسیاری بر آن شده است. اما دی اکسید کربن چگونه تولید می شود؟

تولید دی اکسید کربن

دو منبع طبیعی قابل توجه CO2 در جو زمین، آتشفشان ها و آتش سوزی ها است. همچنین وقتی شما نفس می کشید، در هنگام بازدم دی اکسید کربن از دهان و بینی شما خارج می شود. به طور کلی برای تولید دی اکسید کربن شش روش وجود دارد:

• آتشفشان ها و آتش ها
• محصول جانبی در واکنش تولید هیدروژن (تبدیل متان به CO2)
• در تجزیه حرارتی کربنات کلسیم
• محصول جانبی در واکنش تولید سدیم فسفات
• محصول جانبی در تخمیر قند ها
• در واکنش اسیدی کردن سنگ آهگ

روش های جذب دی اکسید کربن

در ادامه به بررسی روش های متنوعی که برای جذب و ذخیره سازی این ماده وجود دارد می پردازیم.

روش های بیولوژیکی:

شامل استفاده از میکرو ارگانسیم ها، جهت جذب دی اکسید کربن، تولید سوخت های تجدید پذیر مانند بیو سوختها، تولید مواد غذایی و دارویی است. باکتری های یوکاریوت و پرو کاریوت از ارگانیسم هایی هستند که می توانند در جذب این ماده مفید باشند.از مزایایی جذب بیولوژیکی تولید محصولات زیستی مفیدی مانند بیو پلاستیک ها، مواد دارویی، سوخت های زیستی و …

در این روش حذف CO2، در کلروفیل اتفاق می افتد که به نام فرآیند فتوسنتز شناخته شده است. کلروفیل رنگدانه های فتوسنتزی هستند که که CO2 را  درحضور نور طبیعی (خورشید) و یا نور غیر طبیعی به گلوکز تبدیل می کند.

فتوسنتز فرآیند بیوشیمیایی است که به تغذیه گیاهان و برخی میکروب ها کمک می کند. در این فرآیند ارگانیسم های فتوسنتزی آب و اکسیژن ترکیب را کرده و کربوهیدرات (قند) تولید می کنند. محصول جانبی این واکنش اکسیژن است. بنابراین مکان هایی مانند جنگل ها و اقیانوس ها که در آن عمل فتوسنتز صورت می گیرد، به عنوان منبع اکسیژن عمل می کنند و CO2 را از جو خارج می کنند. در ابتدا جو زمین مقدار CO2خیلی بیشتری داشت. عمل فتوسنتز موجودات منجر به ایجاد اکسیژن در هوا شد.

طبقه بندی واکنش های فتو سنتز:

طبقه بندی واکنش های فتوسنتز به دو صورت مستقل از نور و وابسته به نور است، در مرحله اول که NADP+ و ADP تحت تاثیر منبع نور، به مولکول های حمل کننده انرژی NADPH  و ATP تبدیل می شود وابسته به نور و در مرحله ی بعد که CO2  برای تولید محصولات زیستی توسط چرخه کلوین جذب می شود مستقل از نور است.

در این مراحل آنزیم RuBisCo نقش مهمی در در جذب  و تثبیت CO2 دارد، این آنزیم تمایل کمی به CO2  دارد. عملکرد ضعیف این آنزیم با افزایش دوبرابری اکسیژن سازی افزایش می یابد.

مزایای استفاده از میکرو ارگانسیم ها برای جذب دی اکسید کربن:

استفاده از میکرو ارگانسیم ها در روش بیولوژیکی جذب شامل مزایای زیر است:

• تولید سریع
• نرخ تبدیل فتوسنتزی بالا
• قابلیت بالا برای تصفیه زیست محیطی، مانند تثبیت زیستی CO2
• ظرفیت بالا برای تولیدات گسترده ای از محصولات
• روشی آسان برای بهبود ژنتیکی
• پتانسیل صنعتی شدن

روش های شیمیایی :

در این روش از حلال های شیمیایی برای جذب CO2 استفاده می شود، به طور مثال در واحد شیرین سازی گاز که وظیفه حذف گاز های ترش همانند H2S و CO2 را دارد ، واحد جذب دی اکسید کربن (absorption unit) به طور معمول از آلکانول آمین ها برای جذب CO2 استفاده می کند.

 گازحاوی CO2 را از جاذب مایع یا جامد که توانایی جذب کربن دی اکسید را دارد عبور می دهند و سپس جاذب بارگیری شده به ظرف دیگری انتقال پیدا می کند، در آنجا پس از حرارت دادن و کاهش فشار، کربن دی اکسید جذب شده، آزاد می شود و جاذب حاصل از مرحله احیا برای جذب بیشتر در یک فرآیند دوره ای به مرحله قبل می رود.

امروزه اکثر جاذب ها در استفاده تجاری بر اساس سیستم های مایعات و یا ترکیبات جاذب های محلول هستند. این بدین معناست که برای برای جداسازی جریان های گازی، در درجه ی اول، ویسکوزیته فاز مایع اهمیت بالایی دارد.

جاذب های مورد استفاده در روش شیمیایی :

به طور کلی جاذب های متفاوتی در واحد جذب استفاده می شود که می توان به صورت زیر تقسیم بندی کرد:

• حلال های آمینی (همانند مونو اتانول آمین و دی اتانول آمین)
• دی متیل اترپلی اتیلن گلیکول (دی آلکیل اترالکل)
• آلکیل کربنات
• آمونیاک سرد

علاوه بر موارد ذکر شده، حلالهای پیچیده ی جدید و جاذب های جامدی در حال تولید هستند که به طور خاص برای جذب کربن دی اکسید ساخته شده اند که شامل کربن های فعال مایعات و پلیمرهای یونی هستند.

 جاذب های ذکر شده بالا به سبب ویژگی هایی از قبیل نیاز به انرژی پایین، فراریت کم و پایداری بالا، انتخاب پذیری مناسب در جذب، مقاومت شمیایی در برابر ناخالصی ها و هزینه کم تولید در این روش مورد استفاده قرار می گیرند.

تاثیر وجود ناخالصی در جریان گاز ورودی به واحد تصفیه چیست؟

• افزایش ویسکوزیته جاذب که کار مورد نیاز برای پمپ کردن افزایش می دهد.
• ظرفیت جذب وبازده ی فرایند کاهش پیدا می کند.
• مشکلاتی از قبیل کف زایی و ایجاد رسوب در برج انتقال جرم ایجاد می کند.
• مواد حاصل از تخریب جاذب ها، باعث افزایش خوردگی تجهیزات می شود.

روش های فیزیکی (جذب سطحی دی اکسید کربن):

روش فیزیکی از روش های آسان جذب است که هزینه ی عملیاتی کمی دارد. این روش ها شامل تماس دهنده گاز- مایع و فلاسک های سری برای احیا حلال است. استفاده از غشا ها یکی از روش های جذب کربن دی اکسید است که زیر مجموعه جذب فیزیکی است. غشا ها مواد خاصی هستند که انتخاب پذیری برای عبور ماده ی خاصی را دارند، انتخاب غشا بر اساس ماهیت ماده انجام می شود.جریان گاز با اختلاف فشار از غشا عبور می کند که معمولا جریان فشار قوی برای جداسازی غشایی ترجیح داده می شود.

معمولا زمانی که فشار جزئی CO2 بیشتر از 3.5 بار باشد جذب فیزیکی مورد توجه قرار می گیرد. سایر اجزای موجود در جریان گاز بسته به غلظت و حلالیت آن ها، در حلال جذب می شوند.

مزایای استفاده از روش جذب فیزیکی

1. از مزیت های بسیار مهم، هزینه ی عملیاتی نسبتا پایین است.
2. لزومی ندارد که تجهیزات و خطوط لوله از استیل ساخته شود. چون حلال خورنده نیست و همین مورد هم هزینه ها را کاهش می دهد.
3. نیازی به گرمای خارجی برای فرآیند جذب نیست و تنها انرژی مورد نیاز، انرژی پمپ و کمپرسور است.
4. احیا حلال به راحتی با کاهش فشار انجام می شود.
5. ویژگی مهم جذب فیزیکی، خاصیت انتخاب پذیری در برابر H2S دارد و می تواند مواد دیگری همچون COS و مرکاپتان ها را بدون تخریب حلال جذب کند.
6. جذب  CO2 بدون انجام هیچ واکنش شیمیایی

مراحل جذب و ذخیره سازی ( capture and storage CO2 )

در نهایت جذب و ذخیره سازی کربن دی اکسید را می توان شامل سه مرحله به صورت زیر دانست:

جذب کربن دی اکسید:

سه حالت پیش از احتراق، پس از احتراق، احتراق اکسیژنی رخ می دهد؛ جذب دی اکسید کربن خروجی از دودکش که توسط احتراق سوخت های فسیلی در هوا تولید می شود را در دسته ی جذب پس از احتراق قرار می دهند. در این حالت هدف، جذب حداکثری دی اکسید کربن (90 درصد) در نیروگاه ها است.

 اگر در احتراق سوخت از اکسیژن خالص به جای هوا استفاده شود، روش احتراق اکسیژنی بیان می شود که در این روش دمای شعله بیش از حد زیاد است ولی می توان H2O  و CO2  را در این روش بازیابی کرد.

 در جذب کربن دی اکسید پیش از احتراق، واکنش میان اکسیژن هوا با گاز سنتزی CO و هیدروژن است. مونو اکسید کربن در یک راکتور کاتالیستی با بخار واکنش داده و دی اکسید کربن و هیدروژن تولید می کند.

انتقال کربن دی اکسید:

خط لوله یکی از متداول ترین روش برای انتقال کربن دی اکسید است ، گاز CO2 در فشار بالاتر از 8 مگا پاسکال فشرده می شود، به همین دلیل حمل و نقل  آسانتر و کم هزینه تر می شود. از روش های دیگر انتقال CO2 هم انتقال مایع در کشتی ها، جاده ها یا راه آهن ها است.

ذخیره سازی کربن دی اکسید:

جذب و ذخیره سازی دی اکسید کربن در زمین شناسی، در واقع فناوری برای کاهش تغییرات اقلیمی و گرمای جهانی به حساب می آید. این کار به سه شکل قابل انجام است که شامل:

• ذخیره سازی در اعماق زمین
• ذخیره سازی به صورت گاز یا مایع در اقیانوس ها

است. برای مثال قسمت هایی از اقیانوس ها که میادین تخلیه شده نفت یا گاز هستند، مکان های مناسبی برای اینکار به حساب می آیند. انتخاب اقیانوس ها به این دلیل است که این گاز حل می شود و به تشکیل هیدارته برای هزاران سال ذخیره می شود. اما این کار می تواند زندگی آبزیان را به خطر انداخته و باعث افزایش سطح pH آب اقیانوس ها شود. روش دیگر، ذخیره سازی در اعماق کمتر از 800 متری زمین است. البته این مناطق باید پوسته صخره ای داشته باشند تا این گاز به بیرون نشت نکند. برای مثال بسترهای زغالی یا نمک زارهای عمیق برای اینکار مناسب هستند. همواره مکانی که برای ذخیره سازی کربن دی اکسید در نظر گرفته می شود باید ایمنی بالایی داشته باشد، ارتباط کمی با محیط زیست داشته باشد و مطابق با استاندارهای زمین شناسی باشد.

____________________________________

گردآوری و تدوین توسط :

کمیته صنعت ، معدن و تجارت

کانون مهندسین دانشکده فنی دانشگاه تهران

شهریور ۱۴۰۴