جامعة ويتواترسراند في جنوب أفريقيا: مساحة سطح الفحم الخام القائم على الكربون المنشط تبلغ 1925 م²/غ

أخبار ar.wedoany.com، أظهرت دراسة أجرتها كلية الهندسة الكيميائية والمعدنية في جامعة ويتواترسراند (University of the Witwatersrand، Wits) أن الفحم الجنوب أفريقي، إلى جانب استخدامه كوقود، يمتلك إمكانات لاستخدامه كمادة خام للكربون المنشط والكربون المسامي ذي مساحة السطح النوعية العالية، ومواد الامتزاز لتخزين الغاز، ومواد الأقطاب الكهربائية لتخزين الطاقة، والمواد المركبة من الكربون والسيراميك.

وقال البروفيسور سامسون بادا (Samson Bada)، الباحث الأول في الكلية، إن الفريق تمكن من إنتاج كربون منشط من ثلاثة أنواع من المواد القائمة على الفحم الجنوب أفريقي بمساحة سطح نوعية وفق طريقة بروناور-إيميت-تيلر (Brunauer, Emmett and Teller، BET) تتراوح بين نحو 1485 م²/غ و1925 م²/غ. ومن بينها، بلغت مساحة السطح النوعية لملاط الفحم (coal slurry) نحو 1485 م²/غ، والفحم المهمل (discard coal) 1826 م²/غ، والفحم الخام (run-of-mine، RoM) 1925 م²/غ. وأشار بادا إلى أن الدراسة نفسها حددت أيضاً التطبيقات المحتملة للكربون المنشط ذي مساحة السطح النوعية العالية في معالجة المياه، وإزالة الأصباغ، وتنقية الهواء والغاز، والفصل بين الطور السائل والطور الغازي، واستخلاص المعادن، وتخزين الغاز.

وقد أظهر الفريق من خلال التجارب أحد تطبيقات تخزين الغاز: إذ بلغ الحد الأقصى لامتزاز الميثان على الكربون المنشط القائم على الفحم 162.7 سم³/غ، ويزداد مقدار امتزاز الميثان مع زيادة مساحة السطح النوعية. وفي الآونة الأخيرة، حقق الكربون النانوي المسامي المطعّم بالنيتروجين، المُحضَّر من الفحم الخام الجنوب أفريقي (RoM coal)، عند استخدامه كقطب كهربائي للمكثفات الفائقة، سعة نوعية بلغت 169 فاراد/غرام (farads a gram) وكثافة طاقة بلغت 23.5 واط-ساعة/كيلوغرام (watt-hours a kilogramme).

وقال بادا إن هذه النتائج المخبرية واعدة للتطبيقات التي تتطلب تخزين الطاقة وإطلاقها بسرعة، إلا أنه قبل المقارنة مع الأجهزة التجارية، لا يزال من الضروري تطوير خلايا كاملة وتوسيع النطاق. وأضاف أن الفريق طوّر أيضاً مواد سيراميكية ومركبة إنشائية قائمة على الفحم، وأن هذا العمل ينتقل من التحسين المخبري إلى التحقق على مستوى النماذج الأولية والنطاق التجريبي.

وإلى جانب نتائج جامعة ويتواترسراند، أشار بادا إلى أن البحوث الدولية أظهرت منتجات قائمة على الفحم أوسع نطاقاً، تشمل ألياف الكربون ورغوة الكربون. وتُستخدم هذه المنتجات في الولايات المتحدة في تصنيع هياكل السيارات، مما يمثل فرصاً محتملة مستقبلية لجنوب أفريقيا؛ غير أن هذه المنتجات لم تُتحقق بعد من خلال البحوث المحلية في جامعة ويتواترسراند.

وأشارت الأستاذة الفخرية روزماري فالكون (Rosemary Falcon)، مديرة منظمة FFF Carbon الداعمة للفحم، إلى أن للفحم تطبيقات أخرى غالباً ما تُغفل إلى جانب بُعد توليد الكهرباء. وشرحت أنه إلى جانب الهيدروجين، يُعدّ الكربون الموجود في الفحم ضرورياً لاختزال الحديد ومعادن مثل المنجنيز والسيليكون والألومنيوم. وأضاف تومي كغومو (Tumi Kgomo)، رئيس FFF Carbon، أن الخلايا الكهروضوئية الشمسية تُصنع أيضاً من مواد قائمة على الفحم، لأن الفحم يُستخدم في عملية صهر السيليكون.

وأضاف بول دن هود (Paul den Hoed)، المحاضر الأول الفخري في كلية الهندسة الكيميائية والمعدنية بجامعة ويتواترسراند، أن الكربون الموجود في الفحم لا غنى عنه أيضاً، إذ يمكن استخدامه كعامل اختزال لأكاسيد معادن مثل الكروم؛ ونظراً لموقع هذه الأكاسيد على مخطط إلينغهام (Ellingham diagram)، فإنه لا يمكن اختزالها بالهيدروجين. ولذلك، يوصي دن هود بالاحتفاظ بالفحم الأعلى جودة للاستخدامات المعدنية، واستخدام الفحم الأدنى رتبة في توليد الكهرباء بواسطة غلايات من نوع الطبقة المميعة المتداولة (fluidised circulation bed) وفي تطبيقات أخرى ذات قيمة.

وقال بادا إن الدراسة المكتبية التي أجرتها جامعة ويتواترسراند تُظهر أن التقدم الدولي في منتجات مثل ألياف الكربون القائمة على الفحم ومواد البناء قد وفّر مسارات مفيدة ومربحة يمكن لجنوب أفريقيا تقييمها وتكييفها. لكنه حذّر من أن المفتاح ليس محاولة تسويق جميع المنتجات الممكنة القائمة على الفحم في آن واحد، بل تحديد عدد قليل من المنتجات التي تمتلك فيها جنوب أفريقيا ميزة تقنية واقتصادية فيما يتعلق بالفحم أو نفايات الفحم.

وبعد إتمام هذا الفرز، قال إن التقنيات "الأكثر واعدة" ينبغي إظهارها على النطاق التجريبي، ثم بناؤها موجّهةً نحو السوق بعد إتمام التقييمات الفنية والاقتصادية وتقييمات دورة الحياة مع شركاء التصنيع. كما شدّد على ضرورة تعزيز التعاون بين الجامعات وقطاع الفحم ومصنّعي المنتجات والحكومة.