بناء أغشية مستدامة لاحتياجات الطاقة في المستقبل
الأربعاء - 20 يوليو 2022
Wed - 20 Jul 2022
بمقدور تقنية الأغشية المستخدمة لتجزئة النفط الخام أن توفر بديلا قابلا للتطبيق ومنخفض الكربون لطرق الفصل التقليدية، إذ قدمت ورقة بحثية نشرتها أخيرا مجلة Science Magazine بعنوان: «أغشية بوليتريزول ذات طبقة انتقائية شديدة الرقة قابلة للانضغاط لتجزئة النفط الخام» حلا مبتكرا لتطوير الأغشية للتعامل مع الظروف الصناعية الفريدة، مثل تجزئة الهيدروكربون.
وتعاون في تأليف هذه الورقة فريق من العلماء تحت إشراف أساتذة العلوم والهندسة الكيميائية والبيئية في جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست)، نائبة مدير الجامعة للشؤون التعليمية والأكاديمية البروفيسورة سوزانا نونز.
وسلطت الورقة الضوء على استراتيجية متعددة الاستخدامات لتصنيع أغشية بوليتريزول لتجزئة النفط الخام على نحو موفر للطاقة. وتعد الأغشية مفيدة أيضا لخصائصها ذات البصمة الكربونية المنخفضة ومدى ملاءمتها لتعزيز الاقتصاد الدائري للكربون.
وفي هذا الصدد قالت نونز «أعمل على أغشية البوليتريزول منذ أكثر من عشرين عاما، وفي هذه الورقة، اعتمدنا نهجا اقترحه الدكتور ستيفان تشيسكا، عالم الأبحاث في مختبرنا.
أبحث دائما عن بوليمرات يمكنها مواجهة تحديات تتعذر مواجهتها باستخدام غشاء بسيط للغاية».
ويتخصص عالم الأبحاث في كاوست ستيفان تشيسكا في تطوير البوليمرات لأغراض تطبيقات الأغشية، مع التركيز على عمليات الفصل التي تنطوي على الحد الأدنى من استهلاك الطاقة. فقد تولى قبل انضمامه إلى كاوست، قيادة أبحاث الأغشية كرئيس قسم أغشية الطاقة المستدامة في جمعية هيلمهولتز الألمانية.
في حين صممت معظم الأغشية المتاحة تجاريا، لبيئات المياه ودرجة حرارة الغرفة، فإن ثمة تحديا فريدا يتمثل في تطوير أغشية مستقرة لظروف أقسى تتميز بدرجات حرارة مرتفعة ومجموعة واسعة من المذيبات العضوية ودرجة الحموضة، مثل حالة تجزئة النفط.
وتعد عملية الفصل المطلوبة لتنقية المذيبات والمواد الكيميائية، وتنظيم تبادل المذيبات، وإدارة المحفزات، عنصرا حاسما لكنها شديدة الاستهلاك للطاقة، ومكلفة، يشيع استخدامها في الصناعات الكيميائية والصيدلانية والبتروكيماوية. إذ تشمل تقنيات الفصل الأكثر شيوعا كلا من التقطير، والامتصاص، والتبخر، والاستخلاص.
وفي هذا الإطار، توفر تقنية الأغشية بديلا منخفض البصمة الكربونية يعد أكثر استدامة. ومع ذلك، فإن هذه الصناعات تلاقي صعوبة في استبدال طرق الفصل التقليدية، كونها تحتاج إلى أغشية تلبي متطلبات الاستقرار الميكانيكي والحراري الصارمة لمنع شيخوختها الفيزيائية السريعة، والحد من تدهورها.
وأضافت نونز «تكون البيئة قاسية حقا في درجات حرارة تزيد عن 100 درجة مئوية، وما تتمكن من تجزئته يمكنه أن يذيب غشاءك»، مشيرة إلى منهجية التشابك الحاسمة، باستخدام المعالجة الحرارية اللازمة لإعداد الغشاء للتفاعل مع النفط الخام، من دون أن يذوب تماما. إذ أثبتت أغشية البوليتريازول أنها أفضل من حيث كونها مناسبة لفصل الخلائط غير المائية المعقدة.
توصيف تحليلي
من أجل فهم تفاعلات الغشاء والمذيبات بشكل أفضل، وكذلك عملية التعديل الكيميائي من خلال المعالجة الحرارية، عمل فريق نونز مع العلماء العاملين في مختبرات كاوست الأساسية، لتوصيف الغشاء والزيت نفسه توصيفا كاملا، حيث جرى استخدام طرق طيفية وميكروسكوبية مختلفة للتحقق من مورفولوجيا الأغشية قبل التشبيك وبعده، وتتبع تجزئة الزيت، الأمر الذي أسفر عن توصيف كامل للخصائص.
وقالت نونز «كان عملنا مع مختبرات كاوست الأساسية رائعا منذ يومه الأول»، مضيفة «تعد هذه الورقة العلمية مثالا ممتازا. فجميع المشاركين هم من كاوست، سواء أكانوا أفراد مجموعتنا أو علماء مختبرات كاوست الأساسية. أعتقد أن من المهم تسليط الضوء على أنهم علماء مدربون على هذه التقنيات. إذ لا يمكننا فعل ذلك بمفردنا».
تطبيقات تخدم المملكة
تعتقد نونز أن تكنولوجيا الأغشية يمكنها أن تساعد المملكة العربية السعودية في توفير الكثير من الطاقة.
وأكدت قائلة «هدفنا بل حلمنا هو أن تستخدم شركات البتروكيماويات الإقليمية الكبيرة تكنولوجيا الأغشية كبديل لجزء من عمليات الفصل الحراري. هذا هو سبب قيامنا بذلك. إنه الدافع».
يشتمل جزء كبير من عمل مجموعتها على تعزيز الرؤية لتطوير أغشية مستقرة بما يكفي لاستخدامها في الصناعات الكيماوية والبتروكيماوية. والهدف هو توفير بديل قابل للتطبيق لطرق الفصل الكلاسيكية، التي تتطلب العديد من الخطوات والموارد. كما تأمل نونز في تعزيز التفاعل المباشر مع الجهات الفاعلة في الصناعة الكيميائية في المملكة، لفهم احتياجاتهم بشكل أفضل، والحصول على مزيد من الملاحظات حول تقنيات الفصل عالية الأداء التي يتم إجراؤها في المذيبات العضوية ودرجات الحرارة المرتفعة.
وقالت «إنها الخطوة الأولى في مسيرة طويلة. فهناك المزيد من العمل الذي يتعين القيام به لتوسيع نطاق إنتاج الأغشية والحصول على تكنولوجيا تلقى قبولا عريضا للاستخدام الصناعي غير المائي واسع النطاق».
ورأت نونز في تقنية الأغشية حلا قابلا للتطبيق، لمساعدة الجهود الحالية الرامية إلى تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من خلال معالجة المشكلة في بداية سلسلة القيمة الصناعية. واستطردت «أعتقد أن من الأجدى فاعلية استبدال جزء من العمليات المستخدمة في الصناعة الكيماوية، التي تمثل بصمة كربونية عالية للغاية». وأضافت «إذا كان بمقدور المصانع الجديدة التي يتم تشييدها في المملكة أن تدمج منذ البداية عمليات فصل جديدة وأكثر استدامة قائمة على الأغشية، فإنها ستسهم كثيرا في اقتصاد الكربون الدائري».
ماذا صنع فريق كاوست؟
ما الذي استخدمه الفريق؟
التشبيك الحراري جنبا إلى جنب مع تقنية NIPS
أبرز النتائج:
وتعاون في تأليف هذه الورقة فريق من العلماء تحت إشراف أساتذة العلوم والهندسة الكيميائية والبيئية في جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست)، نائبة مدير الجامعة للشؤون التعليمية والأكاديمية البروفيسورة سوزانا نونز.
وسلطت الورقة الضوء على استراتيجية متعددة الاستخدامات لتصنيع أغشية بوليتريزول لتجزئة النفط الخام على نحو موفر للطاقة. وتعد الأغشية مفيدة أيضا لخصائصها ذات البصمة الكربونية المنخفضة ومدى ملاءمتها لتعزيز الاقتصاد الدائري للكربون.
وفي هذا الصدد قالت نونز «أعمل على أغشية البوليتريزول منذ أكثر من عشرين عاما، وفي هذه الورقة، اعتمدنا نهجا اقترحه الدكتور ستيفان تشيسكا، عالم الأبحاث في مختبرنا.
أبحث دائما عن بوليمرات يمكنها مواجهة تحديات تتعذر مواجهتها باستخدام غشاء بسيط للغاية».
ويتخصص عالم الأبحاث في كاوست ستيفان تشيسكا في تطوير البوليمرات لأغراض تطبيقات الأغشية، مع التركيز على عمليات الفصل التي تنطوي على الحد الأدنى من استهلاك الطاقة. فقد تولى قبل انضمامه إلى كاوست، قيادة أبحاث الأغشية كرئيس قسم أغشية الطاقة المستدامة في جمعية هيلمهولتز الألمانية.
في حين صممت معظم الأغشية المتاحة تجاريا، لبيئات المياه ودرجة حرارة الغرفة، فإن ثمة تحديا فريدا يتمثل في تطوير أغشية مستقرة لظروف أقسى تتميز بدرجات حرارة مرتفعة ومجموعة واسعة من المذيبات العضوية ودرجة الحموضة، مثل حالة تجزئة النفط.
وتعد عملية الفصل المطلوبة لتنقية المذيبات والمواد الكيميائية، وتنظيم تبادل المذيبات، وإدارة المحفزات، عنصرا حاسما لكنها شديدة الاستهلاك للطاقة، ومكلفة، يشيع استخدامها في الصناعات الكيميائية والصيدلانية والبتروكيماوية. إذ تشمل تقنيات الفصل الأكثر شيوعا كلا من التقطير، والامتصاص، والتبخر، والاستخلاص.
وفي هذا الإطار، توفر تقنية الأغشية بديلا منخفض البصمة الكربونية يعد أكثر استدامة. ومع ذلك، فإن هذه الصناعات تلاقي صعوبة في استبدال طرق الفصل التقليدية، كونها تحتاج إلى أغشية تلبي متطلبات الاستقرار الميكانيكي والحراري الصارمة لمنع شيخوختها الفيزيائية السريعة، والحد من تدهورها.
وأضافت نونز «تكون البيئة قاسية حقا في درجات حرارة تزيد عن 100 درجة مئوية، وما تتمكن من تجزئته يمكنه أن يذيب غشاءك»، مشيرة إلى منهجية التشابك الحاسمة، باستخدام المعالجة الحرارية اللازمة لإعداد الغشاء للتفاعل مع النفط الخام، من دون أن يذوب تماما. إذ أثبتت أغشية البوليتريازول أنها أفضل من حيث كونها مناسبة لفصل الخلائط غير المائية المعقدة.
توصيف تحليلي
من أجل فهم تفاعلات الغشاء والمذيبات بشكل أفضل، وكذلك عملية التعديل الكيميائي من خلال المعالجة الحرارية، عمل فريق نونز مع العلماء العاملين في مختبرات كاوست الأساسية، لتوصيف الغشاء والزيت نفسه توصيفا كاملا، حيث جرى استخدام طرق طيفية وميكروسكوبية مختلفة للتحقق من مورفولوجيا الأغشية قبل التشبيك وبعده، وتتبع تجزئة الزيت، الأمر الذي أسفر عن توصيف كامل للخصائص.
وقالت نونز «كان عملنا مع مختبرات كاوست الأساسية رائعا منذ يومه الأول»، مضيفة «تعد هذه الورقة العلمية مثالا ممتازا. فجميع المشاركين هم من كاوست، سواء أكانوا أفراد مجموعتنا أو علماء مختبرات كاوست الأساسية. أعتقد أن من المهم تسليط الضوء على أنهم علماء مدربون على هذه التقنيات. إذ لا يمكننا فعل ذلك بمفردنا».
تطبيقات تخدم المملكة
تعتقد نونز أن تكنولوجيا الأغشية يمكنها أن تساعد المملكة العربية السعودية في توفير الكثير من الطاقة.
وأكدت قائلة «هدفنا بل حلمنا هو أن تستخدم شركات البتروكيماويات الإقليمية الكبيرة تكنولوجيا الأغشية كبديل لجزء من عمليات الفصل الحراري. هذا هو سبب قيامنا بذلك. إنه الدافع».
يشتمل جزء كبير من عمل مجموعتها على تعزيز الرؤية لتطوير أغشية مستقرة بما يكفي لاستخدامها في الصناعات الكيماوية والبتروكيماوية. والهدف هو توفير بديل قابل للتطبيق لطرق الفصل الكلاسيكية، التي تتطلب العديد من الخطوات والموارد. كما تأمل نونز في تعزيز التفاعل المباشر مع الجهات الفاعلة في الصناعة الكيميائية في المملكة، لفهم احتياجاتهم بشكل أفضل، والحصول على مزيد من الملاحظات حول تقنيات الفصل عالية الأداء التي يتم إجراؤها في المذيبات العضوية ودرجات الحرارة المرتفعة.
وقالت «إنها الخطوة الأولى في مسيرة طويلة. فهناك المزيد من العمل الذي يتعين القيام به لتوسيع نطاق إنتاج الأغشية والحصول على تكنولوجيا تلقى قبولا عريضا للاستخدام الصناعي غير المائي واسع النطاق».
ورأت نونز في تقنية الأغشية حلا قابلا للتطبيق، لمساعدة الجهود الحالية الرامية إلى تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من خلال معالجة المشكلة في بداية سلسلة القيمة الصناعية. واستطردت «أعتقد أن من الأجدى فاعلية استبدال جزء من العمليات المستخدمة في الصناعة الكيماوية، التي تمثل بصمة كربونية عالية للغاية». وأضافت «إذا كان بمقدور المصانع الجديدة التي يتم تشييدها في المملكة أن تدمج منذ البداية عمليات فصل جديدة وأكثر استدامة قائمة على الأغشية، فإنها ستسهم كثيرا في اقتصاد الكربون الدائري».
ماذا صنع فريق كاوست؟
- أغشية بوليتريازول بطبقات انتقائية
- سماكتها 10 نانومتر
- تحتوي على قنوات نانومترية فرعية لفصل الهيدروكربونات
ما الذي استخدمه الفريق؟
التشبيك الحراري جنبا إلى جنب مع تقنية NIPS
أبرز النتائج:
- أثبتت الأغشية البوليمرية المعالجة أنها مناسبة لعمليات الفصل الكيميائي شديدة الصعوبة
- الطبقات الانتقائية الرقيقة للغاية والخصائص القابلة للضبط لأغشية البوليتريزول مثل النفاذية
- تسمح بالتكيف مع مجموعة واسعة من السوائل الصعبة، والأحماض القوية، والمخاليط المعقدة، مثل تلك الموجودة في النفط الخام
