Table of Contents
ما هي النفايات المعدنية؟
غاز الهيدروجين
وعنصر الهيدروجين من أخف العناصر الكيميائية والأكثر وفرة في الكون، وهو غاز عديم الرائحة واللون والطعم وغير سام وقابل للاشتعال، ولا يوجد منفردا في الطبيعة، وفي العادة يكون متحدا مع عدد من العناصر ليشكل مركبات كيميائية مختلفة، سواء كانت بالحالة الغازية كالغاز الطبيعي، أو سائلة كالماء والنفط، أو صلبة كالمركبات الكربونية المختلفة.
ويمكن استعمال الهيدروجين لإنتاج الطاقة بعدة طرق، منها استعماله لتشغيل محركات الاحتراق الداخلي للسيارات والمركبات، أو في خلايا الوقود لإنتاج التيار الكهربائي، كما يستعمل الهيدروجين كوقود في المركبات الفضائية وصواريخ الدفع.
إنتاج الهيدروجين
الهيدروجين من مصادر الطاقة المتجددة، إذ يمكن الحصول عليه من عدد كبير من المصادر وبطرق مختلفة، كالتحليل الكهربائي للماء والذي يؤدي إلى كسر الروابط الكيميائية بين الأوكسجين والهيدروجين في الماء، إلا أن هذه الطريقة مكلفة ماديا بسبب استهلاكها كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية، ولذلك يتم إجراء عملية التحليل الكهربائي للماء على درجات حرارة عالية من أجل تقليل كمية الطاقة الكهربائية اللازمة لعملية التحليل.
ومن الطرق المستخدمة لإنتاج غاز الهيدروجين، طريقة البخار المحسن، ويستعمل في العادة الغاز الطبيعي الذي تتم مفاعلته مع البخار تحت حرارة عالية تتراوح ما بين 800 و1700 درجة مئوية في غرفة احتراق وبوجود عامل مساعد.
الحاجة الملحة للوقود النظيف
هناك حاجة ملحة للوقود النظيف لتوليد الحرارة وتشغيل المركبات. ولكن إذا كان إنتاج ذلك الوقود يعتمد على حرق الوقود الأحفوري أو استنفاد المواد النادرة، فإن الحل البيئي غير مكتمل.
يقع الهيدروجين ضمن هذه الفئة؛ فهو وقود نظيف لا ينتج إلا بخار الماء عند احتراقه، ولكننا نفتقر إلى أساليب إنتاج خضراء ميسورة التكلفة وقابلة للتطوير.
ولا يَعِد النهج الجديد بتحسين مسار الإنتاج النظيف بشكل كبير فحسب، بل إنه يستفيد أيضا من مواد النفايات الصناعية التي كان من الممكن التخلص منها لولا ذلك.
يمكن أن يوفر الماء إمدادات لا حدود لها من الهيدروجين، ولكن مثل مياه البحر للبحار العطشان، فإنه يمنح الأمل دون أي راحة إذا لم تتمكن من فصل الأجزاء المكونة. يعد التحليل الكهربائي ، الذي يقسم الماء إلى أكسجين وهيدروجين، أحد أكثر الطرق الواعدة لإنتاج الهيدروجين ولكنه يتطلب عناصر نادرة ومكلفة مثل البلاتين لتحفيز الانقسام.
اكتشف باحثون من جامعة نوتنجهام أن سطح الخراطة، وهي حلقات معدنية من النفايات تتخلص منها صناعة الآلات المعدنية، تم تركيبها على مستوى النانو بطريقة تعزز الحفز، مما يقلل الحاجة إلى المعادن النادرة.
ويدعي مؤلفو الدراسة ، التي نشرت في مجلة كيمياء المواد أ ، أنها تغلبت على تحديين رئيسيين. وقال أندريه كلوبيستوف، أحد مؤلفي الدراسة: “أولاً، يتيح إنتاج الهيدروجين الأخضر باستخدام أقل كمية ممكنة من المعادن الثمينة، وثانيًا، يقوم بإعادة تدوير النفايات المعدنية من صناعة الطيران، كل ذلك في عملية واحدة”.
وتضاعف هذه الفوائد المزايا الأساسية المتمثلة في توفير بديل لأنواع الوقود الملوثة وغير المتجددة، وبالتالي يمكن أن تساعدنا على الطريق إلى مستقبل أكثر استدامة.
إضافة النفايات إلى الماء
وقال جيسوم ألفيس فرنانديز الذي قاد فريق البحث: “الصناعات في المملكة المتحدة وحدها تولد ملايين الأطنان من النفايات المعدنية سنويا”. لقد اعتقدوا أن هذه النفايات قد تستحق نظرة فاحصة. “باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح، تمكنا من فحص الأسطح الملساء ظاهريًا لسوار الفولاذ المقاوم للصدأ أو التيتانيوم أو سبائك النيكل.
“ولدهشتنا، اكتشفنا أن الأسطح تحتوي على أخاديد وحواف يبلغ عرضها عشرات النانومترات فقط. لقد أدركنا أن هذا السطح ذو البنية النانوية يمكن أن يقدم فرصة فريدة لتصنيع المحفزات الكهربائية.
وقاموا برش كميات صغيرة من ذرات البلاتين على سطح الخراطة، والتي اتحدت معًا لتكوين جسيمات نانوية تتلاءم تمامًا مع الأخاديد النانوية. يزيد هذا الملاءمة المريحة من كفاءة المحفز من خلال زيادة مساحة سطح البلاتين التي تتلامس مع الماء إلى الحد الأقصى. المزيد من مساحة السطح يعني المزيد من النقاط التي يمكن أن يحدث فيها تفاعل إطلاق الهيدروجين.
كشفت تجارب الفريق أن أنواعًا مختلفة من الخراطة تتحد مع البلاتين أو الكوبالت لتأثيرات مختلفة، مما يسمح لهم بتحسين المزيج وتحسين العملية، مما يؤدي في النهاية إلى تقليل كمية المحفز المطلوب بشكل كبير.
وقال ماداسامي ثانغاموثو، المؤلف المشارك في الدراسة: “من اللافت للنظر أننا قادرون على إنتاج الهيدروجين من الماء باستخدام عُشر كمية تحميل البلاتين فقط مقارنة بالمحفزات التجارية الحديثة”. “من خلال نشر 28 ميكروجرام فقط من المعدن الثمين على مساحة 1 سم² من الخيش، تمكنا من إنشاء محلل كهربائي على نطاق المختبر يعمل بكفاءة 100% وينتج 0.5 لتر من غاز الهيدروجين في الدقيقة من قطعة واحدة فقط من الخيش. “
مستدامة وقابلة للتطوير
هذا التحول في كفاءة التحليل الكهربائي للمياه يمكن أن يحدث تحولا في الصناعة. تتضمن معظم طرق إنتاج الهيدروجين حاليًا استخدامًا كبيرًا للوقود الأحفوري، وأكثرها شيوعًا هو تسخين الغاز الطبيعي بالبخار وإنتاج ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي.
إذا أصبح التحليل الكهربائي مجديًا اقتصاديًا ومستدامًا بيئيًا، فيمكنه أن يحل محل هذه العمليات، مما يوفر فائدة مزدوجة تتمثل في تقليل الحاجة إلى أنواع الوقود غير المتجددة، وإزالة احتراق الوقود الأحفوري من مسار إنتاج الوقود المتجدد غير الملوث. تعد إعادة تدوير النفايات من الصناعات الأخرى بمثابة مكافأة إضافية، مما يؤكد بشكل أكبر على الاستدامة الاقتصادية والبيئية.
وقال توم رودن، المؤلف المشارك للدراسة: “إن تطوير أنظمة الدفع الهيدروجينية يمكن أن يكون خطوة مهمة نحو معالجة بعض التحديات الأكثر إلحاحا في العالم في مجال انعدام الكربون، وخاصة بالنسبة لصناعات النقل والتصنيع”. “ومع ذلك، يعتمد نجاح هذه الاستراتيجية على إنتاج الهيدروجين الأخضر بشكل مستدام، مثل تقسيم الماء عن طريق التحليل الكهربائي، وهذا بدوره يتطلب تطورات في تصميم المواد.”
ويعمل فريق البحث الآن مع شركاء الصناعة على أمل أن يؤدي توسيع نطاق هذه التقنية إلى زيادة الفوائد الاقتصادية والبيئية على أوسع نطاق ممكن، مما يؤدي في النهاية إلى تحويل (تقريبًا) لا شيء سوى القمامة والمياه إلى وقود نظيف ومتجدد.
