نجح فريق بحثي بقيادة جيانغ تشونغ يي وخه قوانغ وي من جامعة تيانجين في تطوير غشاء مركّب عضوي بالكامل من نوع مصفوفة مختلطة، مما يمثل اختراقاً للعقبة المتمثلة في صعوبة الجمع بين أداء الفصل وقابلية المعالجة في الأغشية، ويوفر مساراً مادياً جديداً لاحتجاز الكربون من الغازات الصناعية بكفاءة منخفضة الطاقة وتكلفة منخفضة. وقد نُشرت هذه النتيجة في السابع من أكتوبر عبر الإنترنت في مجلة «نيتشر إنرجي» الأكاديمية الدولية المرموقة.

يُعدّ احتجاز الكربون حلقة مهمة في تحقيق هدف «الحياد الكربوني». ويقصد باحتجاز الكربون التقاط ثاني أكسيد الكربون المنبعث إلى الغلاف الجوي، ثم ضغطه وتخزينه في حقول نفط مستنفدة أو مواقع أخرى آمنة تحت الأرض.

الغازات الصناعية المنبعثة من محطات الطاقة ومصانع الأسمنت ومصانع الحديد والصلب وغيرها، يكون تركيز ثاني أكسيد الكربون فيها منخفضاً لكن إجمالي كميته كبير، وتتطلب عملية «غربلته» طرقاً تقليدية عالية استهلاك الطاقة ومرتفعة التكلفة. وتُعتبر تقنية الفصل بالأغشية صديقة للبيئة ومنخفضة الكربون وموفرة للطاقة، ويُنظر إليها على أنها تقنية واعدة جداً لاحتجاز الكربون.

رسم تخطيطي لغشاء مصفوفة مختلطة عضوي بالكامل من إطار عضوي تساهمي أحادي البلورة (صورة مقدمة من الفريق البحثي)

الغشاء هو «المصفاة» في تقنية الفصل بالأغشية. ويتطلب احتجاز الكربون من غازات المداخن الصناعية أن يجمع الغشاء بين نفاذية عالية وانتقائية عالية واستقرار طويل الأمد وقابلية للتوسع على نطاق صناعي. ويجمع الغشاء المركّب من نوع المصفوفة المختلطة بين قابلية معالجة البوليمرات وقدرة النقل الفعالة للحشوات المسامية، ويحتل مكانة مهمة في احتجاز الكربون منخفض الطاقة، غير أن خصائص النوعين من المواد متباينة تماماً، مما يثير مشكلة التوافق بينهما. وتعتمد الطرق التقليدية على تعزيز قوى التفاعل لـ«إلصاق» النوعين من المواد بقوة أكبر، لكن الفعالية تبقى محدودة، إذ يظل أداء الفصل مهيمناً عليه من قِبل البوليمر، ويصعب على الحشوات المسامية أداء دورها.

وفي هذا السياق، واستلهاماً من بنية غشاء الخلية، اقترح الفريق البحثي استراتيجية «التضمين بقوى واجهة ضعيفة»، حيث دمج إطاراً عضوياً تساهمياً أحادي البلورة (COF) ذا قنوات مسامية منتظمة ومنظمة مع البوليمر لتصنيع غشاء مصفوفة مختلطة عضوي بالكامل. ومن خلال التنسيق بين تفاعلات «الحشوة—البوليمر» وتفاعلات «الحشوة—الحشوة»، أُدرج الـ COF بنسبة تعبئة عالية وبشكل منتظم «مضمّناً» في الغشاء، ليقوم بدور «البطل» فعلياً في النقل الجزيئي، مع الحفاظ على مرونة الغشاء وقابلية المعالجة بالمحلول، مما أنشأ قنوات فائقة السرعة لنقل ثاني أكسيد الكربون.

رسم تخطيطي لمورفولوجيا الغشاء وبنياته المجهرية (صورة مقدمة من الفريق البحثي)

في اختبارات خليط الغاز المحاكي لغازات المداخن، حقق الغشاء المركّب عضوي بالكامل من نوع المصفوفة المختلطة الذي أعده الفريق ارتفاعاً في نفاذية ثاني أكسيد الكربون بمقدار رتبة عددية، متجاوزاً القيم المسجلة في الأدبيات العلمية، ووصل إلى نحو 70% من القيمة النظرية لغشاء COF النقي التي تنبأت بها النماذج. كما أظهر الغشاء استقراراً طويل الأمد جيداً، إذ حافظ على أدائه في ظروف اختبارية تحتوي على الرطوبة وأكاسيد الكبريت وأكاسيد النيتروجين. ووفقاً لتحليل تقني-اقتصادي أولي، وفي ظل ظروف العملية والتكلفة المحددة، بلغت تكلفة احتجاز الكربون نحو 38 دولاراً لكل طن من ثاني أكسيد الكربون.

وقال البروفيسور جيانغ تشونغ يي، المؤلف المراسل للورقة البحثية: «إن تحويل التحدي المتمثل في خفض الانبعاثات الكربونية الصناعية إلى مسألة علمية تتعلق بمواد الأغشية المتقدمة هو اتجاهنا البحثي على المدى الطويل». وأشار إلى أن هذه النتيجة توفر أفكاراً جديدة لتطوير مواد أغشية تجمع بين الأداء والاستقرار وقابلية المعالجة، ومن المتوقع أن تُطبَّق في احتجاز الكربون من غازات المداخن في قطاعات الطاقة والأسمنت والحديد والصلب وغيرها، مما يدفع تقنية أغشية احتجاز الكربون نحو التطبيق الصناعي.