فناوری جذب کربن:
کاهش آلاینده‌های فوق‌طبیعی برای محدود کردن گرمایش جهانی

شان دنیل

گرمایش جهانی مجموعه‌ای از خطرات قابل توجه را برای انسان‌های روی زمین ایجاد می‌کند. این سیاره به دلیل اثر گلخانه‌ای یا گازهای موجود در جو زمین که تابش موج بلند ساطع شده از سطح زمین را در جو به دام می‌اندازند، در حال گرم شدن است. گاز اصلی که در این اثر نقش دارد، دی اکسید کربن است که در طول احتراق سوخت‌های هیدروکربنی برای انرژی منتشر می‌شود. اثرات منفی بالقوه انتشار گازهای گلخانه‌ای و گرمایش بدون کنترل منجر به رویدادهای شدید آب و هوایی، خسارات کشاورزی و سیل مناطق ساحلی به دلیل ذوب شدن یخ‌های قطبی می‌شود. در نتیجه، تغییر وابستگی جهانی به انرژی به منابعی که پیامدهای منفی تغییرات اقلیمی را کاهش می‌دهند، بسیار مهم و حساس به زمان هستند. این امر می‌تواند با کاهش وابستگی جهانی به سوخت‌های فسیلی و سایر مواد منتشرکننده کربن و روی آوردن به انرژی‌های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، بادی، برق آبی، جزر و مدی و هسته‌ای که در طول فرآیند خود CO2 آزاد نمی‌کنند، محقق شود (1).

با این حال، از زمان آغاز انقلاب صنعتی، غلظت CO2 در جو از 280 ppm به 430 ppm افزایش یافته است که معادل 1.18 × 10^12 است.  تن متریک اضافی CO2 در جو ما. با توجه به بزرگی این تغییر، حذف کربن منتشر شده از جو و ذخیره آن به روشی که تأثیر آن بر گرمایش جهانی را از بین ببرد، موضوع مورد علاقه اخیر دانشمندان آب و هوا بوده است.

فرآیندهای فعلی ترسیب کربن وظیفه دارند هوا را از محیط بگیرند و آن را برای ذخیره سازی متمرکز کنند (2). این امر می‌تواند از طریق یک سری چهار واکنش حاصل شود: واکنش 1 شامل عبور هوا از محلول هیدروکسید پتاسیم است، جایی که CO2 می‌تواند با آب واکنش داده و به اسید کربنیک تبدیل شود که تحت خنثی‌سازی اسید-باز قرار می‌گیرد و کربنات پتاسیم و آب تولید می‌کند. واکنش 2 با واکنش کربنات پتاسیم با هیدروکسید کلسیم، هیدروکسید پتاسیم را احیا می‌کند تا کربنات کلسیم تولید کند که در آب نامحلول است. در واکنش 3، کربنات کلسیم جامد در معرض تجزیه حرارتی در دماهای بسیار بالا قرار می‌گیرد تا اکسید کلسیم و دی اکسید کربن تولید کند که از واکنش در یک محیط کنترل شده که می‌توان آن را ذخیره کرد، ساطع می‌شود. در نهایت، واکنش 4 شامل احیای هیدروکسید کلسیم توسط اکسید کلسیم هنگام حل شدن در آب است. اگرچه واکنش‌های 1، 2 و 4 واکنش‌های اگزرژونیک و مطلوبی هستند، اما تجزیه حرارتی کربنات کلسیم بسیار گرماگیر است و به مقدار زیادی انرژی ورودی نیاز دارد، که باعث می‌شود ترسیب کربن صنعتی گران و دشوار باشد (3). هزینه حذف هر تن دی اکسید کربن از هوای محیط، بین 2 تا 600 دلار تخمین زده می‌شود. تنها با استفاده از فناوری‌های فعلی ترسیب کربن، هزینه حذف کافی دی اکسید کربن برای بازگشت به سطوح دی اکسید کربن اتمسفری قبل از صنعتی شدن، 1000 تریلیون دلار یا تقریباً 2 برابر تولید ناخالص داخلی ایالات متحده در سال 2 خواهد بود (708).

این روش در حال حاضر روش مناسبی برای تأثیر معنادار بر سطح CO2 در جو ما نیست. نوآوری و بهبود در واکنش سوم فرآیند ترسیب کربن و ذخیره‌سازی/فروش CO2 تولید شده می‌تواند هزینه کلی این فرآیند را کاهش دهد و امکان اجرای آن را در مقیاس بزرگتر و تأثیر مثبت کلی بزرگتری فراهم کند (4). جذب متان، یک آلاینده فوق‌العاده که به سلامتی آسیب می‌رساند و باعث تغییرات اقلیمی می‌شود، می‌تواند با هدف قرار دادن آلاینده‌های اقلیمی کوتاه‌مدت که مزایای فوری برای سلامتی و آب و هوا دارند، استراتژی‌های ترسیب کربن را تکمیل کند. با این حال، با نوآوری بیشتر برای ایجاد یک فرآیند مقرون‌به‌صرفه‌تر و ترکیب آن با سایر اشکال انرژی تجدیدپذیر، ترسیب کربن می‌تواند ابزاری مهم برای کاهش اثرات منفی تغییرات اقلیمی باشد.

یک روش مبتنی بر زیست‌شناسی که در سال‌های اخیر به طور فزاینده‌ای مورد توجه قرار گرفته است، کشاورزی احیاکننده (RA) است. کشاورزی احیاکننده با تمرکز بر احیای خاک و تعادل اکولوژیکی بلندمدت، رویکردی یکپارچه‌تر و پایدارتر به کشاورزی ارائه می‌دهد (5). برخلاف کشاورزی مرسوم که اغلب به شدت به کودهای شیمیایی و آفت‌کش‌ها وابسته است، کشاورزی احیاکننده بر شیوه‌های سنتی و مبتنی بر طبیعت تأکید دارد (6). پنج اصل اساسی که کشاورزی احیاکننده عمدتاً برای افزایش سلامت خاک به آنها متکی است عبارتند از: به حداقل رساندن اختلال در خاک، به حداکثر رساندن تنوع محصولات کشاورزی، حفظ پوشش مداوم خاک، حفظ ریشه‌های زنده در خاک در طول سال و ادغام دام‌ها، مانند گاو، در سیستم‌های کشاورزی.

علیرغم اینکه RA یکی از مؤثرترین رویکردها برای کشاورزی پایدار و ذخیره کربن جوی است، اما با موانع متعددی برای اجرای گسترده مواجه است (7). این رویکرد زمان‌بر است و نیاز به مدیریت دقیق و مداوم دارد. کشاورزان باید تکنیک‌های جدید را اتخاذ کنند و درک عمیق‌تری از زیست‌شناسی خاک، تعاملات گیاهی و شیوه‌های مبتنی بر اکوسیستم برای مدیریت مؤثر زمین خود داشته باشند. این تغییرات اغلب نیازمند آموزش فنی و تعهد بلندمدت است که برای همه جوامع کشاورزی امکان‌پذیر نیست.

با این حال، اگر RA با پیاده‌سازی و ادغام مداوم فناوری‌های مدرن - مانند پهپادها، حسگرها و رباتیک کشاورزی - پشتیبانی شود، این پتانسیل را دارد که به یکی از قابل اعتمادترین استراتژی‌های بلندمدت برای ذخیره کربن تبدیل شود (8). این فناوری‌ها می‌توانند دقت و کارایی شیوه‌های مدیریت زمین را بهبود بخشند، نظارت بر سلامت خاک را آسان‌تر کنند، تناوب زراعی را بهینه کنند و کارهای پرزحمت را کاهش دهند. به عنوان مثال، یک مطالعه نشان می‌دهد که خاک ظرفیت ترسیب تا 3.4 گیگاتن کربن در سال را از طریق شیوه‌های کشاورزی دارد (9). با این حال، دستیابی به این مقیاس ترسیب، مستلزم کاشت تقریباً 5.72 × 10¹¹ درخت در سال است.

فرآیند RA شامل چندین مرحله بیولوژیکی و شیمیایی به هم پیوسته است که به ذخیره طولانی مدت کربن در خاک کمک می‌کند. این فرآیند با افزایش کشت درختان، محصولات کشاورزی و گیاهان آغاز می‌شود که نقش مهمی در جذب دی اکسید کربن اتمسفر (CO₂) از طریق فرآیند فتوسنتز دارند. در طول فتوسنتز، گیاهان CO₂ و آب را به گلوکز (C₆H₁₂O₆) و اکسیژن (O₂) تبدیل می‌کنند، که واکنش زیر را دنبال می‌کند: 6 CO6 + 6 HXNUMXO → CXNUMXHXNUMXOXNUMX + XNUMX OXNUMX.

گلوکز تولید شده نه تنها برای رشد گیاه استفاده می‌شود، بلکه از طریق ریشه‌ها به خاک نیز تراوش می‌شود تا از جوامع میکروبی پشتیبانی کند. این ترشحات ریشه، تنفس و فعالیت میکروبی را در ریزوسفر تحریک کرده و چرخه مواد مغذی را افزایش می‌دهد. بخشی از کربن آلی در نهایت از طریق فرآیندی به نام هوموسی شدن تثبیت می‌شود، که در آن بقایای میکروبی و گیاهی به مواد هوموسی پیچیده تبدیل می‌شوند. این مواد، ماده آلی پایدار خاک را تشکیل می‌دهند که می‌توانند برای دهه‌ها در خاک باقی بمانند و به طور مؤثر کربن را در زمین ذخیره کنند.

اگرچه کشاورزی پایدار (RA) یک رویکرد بسیار پایدار است، اما پیشرفت معنادار از طریق این روش مستلزم کاهش همزمان انتشار کربن ناشی از فعالیت‌های انسانی است. یک مطالعه نشان می‌دهد که میزان سالانه دی‌اکسید کربن منتشر شده توسط فعالیت‌های انسانی از میزانی که می‌تواند از طریق شیوه‌های کشاورزی احیاکننده (بودجه سالانه جهانی) جداسازی شود، بیشتر است. به عنوان مثال، در سال ۲۰۲۳، ۳۶.۸ گیگاتن CO2023 منتشر شد، در مقایسه با ۳.۴ گیگاتن کربنی که سالانه از طریق کشاورزی احیاکننده جداسازی می‌شود.

بتن یک مصالح ساختمانی فراگیر است؛ در جاده‌ها، پیاده‌روها، ساختمان‌ها، پل‌ها و تونل‌های ما وجود دارد. در واقع، بتن دومین ماده پرکاربرد در جهان است، پس از آب، و "دو برابر بیشتر از مجموع تمام مصالح ساختمانی دیگر در ساخت و ساز از بتن استفاده می‌شود" (12). در حال حاضر، جهان سالانه 30 میلیارد تن بتن تولید می‌کند و تقاضای جهانی برای بتن، به ویژه با سرعت گرفتن صنعتی شدن در بسیاری از کشورهای جنوب جهان، رو به افزایش است (13). متأسفانه، بتن با هزینه انرژی همراه است.

سیمان، یکی از اجزای اصلی بتن، از طریق فرآیندی به نام ... ساخته می‌شود. محاسبه مخلوطی از سنگ آهک و خاک رس تا دمای بسیار بالا گرم می‌شود که باعث واکنش شیمیایی می‌شود و دی اکسید کربن (CO2) تولید می‌کند. ₂ ) و آهک (CaO). سپس آهک با خاک رس بیشتری مخلوط شده و دوباره حرارت داده می‌شود تا سیمان تشکیل شود. در نهایت، آن سیمان با آب واکنش داده و محصولات هیدراتاسیون مختلفی را تشکیل می‌دهد که سنگدانه‌ها (عمدتاً شن، ماسه و سنگ خرد شده) را سخت کرده و به هم می‌چسبانند و چیزی را که ما به عنوان بتن می‌شناسیم، تشکیل می‌دهند.

با این حال، هنگامی که انرژی ورودی قابل توجهی برای گرم کردن سیمان و CO2 مورد نیاز است ₂  اگر هر دو عامل انتشار به عنوان محصول جانبی در طول کلسیناسیون در نظر گرفته شوند، مشخص می‌شود که بتن ردپای کربنی نسبتاً قابل توجهی دارد. در واقع، یک تن سیمان 0.85 تن COXNUMX آزاد می‌کند. ₂ و صنعت بتن 4 ​​تا 8 درصد از انتشار کربن جهان را تولید می‌کند (14). در حال حاضر، هیچ مصالح ساختمانی دیگری قادر به رقابت با تطبیق‌پذیری، هزینه کم و سهولت تولید بتن نیست، اما آیا راهی برای کاهش ردپای کربن بتن و در عین حال کاهش بالقوه هزینه‌های این صنعت وجود دارد؟

همانطور که مشخص است، علیرغم اینکه بتن در طول فرآیند اختلاط دی اکسید کربن منتشر می‌کند، از طریق یک واکنش شیمیایی غیرفعال که به عنوان ... شناخته می‌شود، کربن را نیز جذب می‌کند. هوازدگیدر طول این فرآیند، هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)2) ₂ که با نام پرتلندیت نیز شناخته می‌شود، یک محصول جانبی واکنش‌های هیدراتاسیون در بتن است که با دی اکسید کربن موجود در هوا واکنش داده و کربنات کلسیم (CaCO3) تشکیل می‌دهد. ₃ که به عنوان کلسیت نیز شناخته می‌شود). این نوعی از جداسازی کربن است - کربن از هوا (CO2) ₂ ) به شکل معدنی در ساختار مولکولی بتن "محبوس" شده است.

با این حال، به عنوان یک استراتژی بالقوه برای کاهش تغییرات اقلیمی و کاهش ردپای کربن در صنعت بتن، این فرآیند چندین جنبه منفی دارد. اولین مورد این است که بسیار کند اتفاق می‌افتد؛ یک تن بتن تا 0.9 کیلوگرم COXNUMX جذب می‌کند. ₂  در سال از طریق هوازدگی کربناسیون، اگرچه این مقدار به شرایط محیطی مانند رطوبت و دما بسیار وابسته است (13). این بدان معناست که جذب کربنی که در طول هوازدگی کربناسیون رخ می‌دهد، بسیار کمتر از کربنی است که توسط صنعت منتشر می‌شود. نکته منفی دوم این است که، تحت قرار گرفتن طولانی مدت در معرض COXNUMX ₂ ، ژل هیدرات سیلیکات کربن (CSH) که به اتصال بتن به یکدیگر کمک می‌کند، تجزیه می‌شود و بتن شروع به تخریب می‌کند. با این حال، می‌توانیم از واکنش‌های شیمیایی اساسی که در طول کربناسیون ناشی از هوازدگی رخ می‌دهند، به عنوان طرحی برای طراحی تکنیکی برای جداسازی کربن در بتن استفاده کنیم که سریع و فعال باشد، برخلاف کند و غیرفعال.

همانطور که مشخص است، این صنعت در حال حاضر دارای دو روش‌ها. اولین مورد نامیده می‌شود کربناته معدنیو اساساً یک «تقلید سریع از هوازدگی سنگ» است (13). کربناتاسیون معدنی ترکیبات چسباننده را هدف قرار می‌دهد؛ معمولاً سیمان به سادگی با آب مخلوط می‌شود تا محصولات هیدراتاسیون را تشکیل دهد که سنگدانه‌های بتن را به هم می‌چسبانند. با این حال، اگر CO ₂  در آب حل می‌شود و اسید کربنیک (H) تشکیل می‌دهد. ₂ CO ₃ ) یون‌های هیدرونیوم موجود در اسید، اکسیدهای سیلیکات موجود در سیمان را تجزیه می‌کنند و یون‌های کلسیم و منیزیم سیمان را آزاد می‌کنند تا کربنات‌های پایدار تشکیل دهند. طبق یک مطالعه، کربناسیون معدنی تجاری می‌تواند تا ۳ گیگاتن کربن در سال را جذب کند.

روش دوم خود بتن را هدف قرار می‌دهد. بتن اغلب پس از مخلوط شدن، عمل‌آوری می‌شود تا واکنش‌های هیدراتاسیون سریع تضمین شود، که اثرات مفیدی بر دوام و استحکام بلندمدت بتن دارد. بخار، واسطه‌ای معمول برای عمل‌آوری بتن است، زیرا امکان دمای بالا و رطوبت نسبی را فراهم می‌کند (15)، اما CO ₂  همچنین می‌تواند با همین اثر مورد استفاده قرار گیرد. این فرآیند، که در آن CO ₂  گازی که به بتن در سنین پایین تزریق می‌شود (یعنی حداکثر چند روز پس از اختلاط) به عنوان ... شناخته می‌شود. عمل آوری کربناسیون. مشابه کربناسیون معدنی، عمل‌آوری کربناسیون شامل واکنش اکسیدهای سیلیکات با آب و CO2 است. ₂  برای تشکیل CaCO3 ₃ .

البته، به دست آوردن CO خالص ₂  گاز، و همچنین طراحی و نگهداری محفظه‌های واکنش بسته لازم برای عمل‌آوری، به معنای هزینه اضافی برای تولیدکننده است. با این حال، می‌توان با جایگزینی مواد چسباننده و سنگدانه سنتی با جایگزین‌های بازیافتی، این هزینه‌ها را کاهش داد تا چیزی را که در صنعت به عنوان "بتن سبز" شناخته می‌شود، ساخت. به عنوان مثال، سیمان پرتلند، انتخاب معمول برای جزء سیمان بتن، می‌تواند تا حدی یا کاملاً با خاکستر بادی (یک محصول جانبی صنعت زغال سنگ) یا سرباره فولاد جایگزین شود، زیرا هر دو حاوی اکسیدهای لازم برای وقوع واکنش‌های هیدراتاسیون هستند. یک مطالعه نشان داد که جایگزینی سیمان پرتلند با مخلوطی از خاکستر بادی و آهک منجر به مخلوط بتنی با درجه کربناسیون 78٪ می‌شود، در مقایسه با درجه کربناسیون 32٪ در مخلوط کنترل سیمان پرتلند (13).

علاوه بر این، شن و سنگ خرد شده، که انتخاب‌های معمول برای سنگدانه‌های درشت هستند، می‌توانند با محصولات جانبی تخریب (آجر خرد شده، بتن و غیره) جایگزین شوند. کربناسیون معدنی نیز می‌تواند روی این سنگدانه‌ها انجام شود تا استحکام و دوام آنها و همچنین توانایی آنها در جداسازی کربن افزایش یابد. در نهایت، سنگدانه‌های ریز (معمولاً شن و ماسه) را می‌توان با بیوچار جایگزین کرد که مزیت اضافی آن این است که خود محصول جداسازی کربن است (بیوچار از طریق سوزاندن مواد آلی در دماهای بسیار بالا در محیطی با اکسیژن کم تشکیل می‌شود و منجر به تشکیل ساختارهای کربنی پایدار می‌شود). برخی مطالعات نشان داده‌اند که بیوچار می‌تواند واکنش‌های هیدراتاسیون را در طول عمل‌آوری کربناسیون در سنین اولیه تسریع کند و منجر به مقاومت فشاری بالاتر شود (16). بیوچار همچنین بسیار متخلخل است، به این معنی که مکان‌های بیشتری برای وقوع واکنش‌های کربناسیون دارد.

برخلاف CCS یا کشاورزی احیاکننده، بتن سبز نیازی به تغییر در مقیاس بزرگ از صنعت موجود یا ایجاد یک صنعت جدید ندارد؛ تنها کاری که لازم است انجام شود، گنجاندن محصولات جانبی بازیافتی در مخلوط بتن و استفاده از فناوری‌های پخت کربناته به جای بخار است. تولیدکنندگان سیمان در حال حاضر ابزارهایی برای سرمایه‌گذاری در آینده‌ای سازگارتر با آب و هوا دارند - آینده‌ای که در آن شهرهای خود را از CO2 ذخیره‌شده بسازیم. ₂ .