أظهر باحثون من جامعة إلينوي طريقة أبسط لربط الحديد بكرات الكربون الصغيرة للحصول على مادة محفزة قادرة على إزالة الملوثات الموجودة في الغاز أو السائل
أظهر باحثون من جامعة إلينوي طريقة أبسط لربط الحديد بكرات الكربون الصغيرة للحصول على مادة محفزة قادرة على إزالة الملوثات الموجودة في الغاز أو السائل.
يمكن استخدام هيكل الكربون كركيزة داعمة للعوامل الحفازة، مثل الحديد والمعادن الأخرى. يعتبر الحديد محفزًا رخيصًا نسبيًا ومتوفر بسهولة مع تطبيقات تحفيزية محتملة في مجالات خلايا الوقود والبيئة (امتزاز المواد الكيميائية الضارة، مثل الزرنيخ وأول أكسيد الكربون). تمكن باحثون من جامعة إلينوي من تحضير ركيزة كربونية تحتوي على العديد من الفوهات أو القنوات، تشبه الإسفنجة. توفر المساحة السطحية الكبيرة التي تم الحصول عليها نتيجة لوجود هذه الفوهات العديد من المواقع لتشتيت جزيئات الحديد الصغيرة على طول وعرض الركيزة.
المصدر الشائع للكربون هو الفحم. عادة، يقوم العلماء بتحويل المواد المعتمدة على الفحم إلى كربون منشط عالي المسامية ثم يضيفون إليه مادة محفزة. تستغرق هذه العملية متعددة الخطوات وقتًا طويلاً وتتطلب الكثير من استثمار الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، قد تكون المواد المشتقة من الفحم ملوثة بالرماد، والذي بدوره قد يحتوي على بقايا معادن أخرى تضعف النشاط التحفيزي للمادة النهائية. إن العملية المبتكرة التي ابتكرها الباحثون، وهي رخيصة الثمن ولا تحتوي على رماد الفحم، تجعل من الممكن الحصول على الكربون من السكر بدلاً من الفحم.
وفي عملية مستمرة وفي خطوة واحدة، يتم الحصول على كرات ميكرونية صغيرة من الكربون المسامي الشبيه بالإسفنج والمدمج في جزيئات الحديد النانوية - كل ذلك في غضون ثوانٍ قليلة.
"هذه هي الخاصية الأساسية التي تميز طريقتنا عن الطرق الأخرى. تمكن بعض العلماء من الجمع بين الكربون والحديد، ولكن مساحة السطح الناتجة كانت صغيرة. وتمكن علماء آخرون من الحصول على مساحة سطحية كبيرة، لكنهم لم يتمكنوا من ربط الحديد بها"، يوضح الباحث الرئيسي. "توفر طريقتنا كلا من سطح الكربون الواسع وجزيئات الحديد النانوية في عملية واحدة."
واعتمد الباحثون على طريقة تسمى "التحلل الحراري للرذاذ بالموجات فوق الصوتية" (USP)، والتي تم تطويرها في عام 2005 في جامعة إلينوي في مختبر أستاذ الكيمياء كينيث سوسليك. استخدم هذا الباحث جهاز ترطيب منزلي للحصول على أبخرة صغيرة من محلول عالي الكربون، ومرره عبر فرن ساخن جدًا، مما تسبب في تبخر الماء من كل قطرة وإنشاء كرات كربونية صغيرة مسامية للغاية.
واستخدم الباحث أتكينسون هذه الطريقة لتحضير كريات الكربون، وقام معها بإضافة ملح يحتوي على الحديد إلى محلول سكري عالي الكربون. عند إدخال تيار البخار إلى الفرن فإن الحرارة العالية بالداخل تشجع على حدوث تفاعل كيميائي بين مكونات المحلول الذي يتكون منه كريات الكربون وجزيئات الحديد المنتشرة فيه. يوضح الباحث الرئيسي: "لقد استفدنا من طريقة USP وأدمجنا فيها في الوقت نفسه إدخال الجسيمات النانوية المعدنية في الكربون المسامي". "الطريقة بسيطة لأنها مستمرة. نحن قادرون على عزل المادة الكربونية وإضافة المسام إليها وحقن الحديد فيها بخطوة واحدة".
ميزة أخرى لهذه الطريقة تكمن في قدرتها على إنتاج مواد ذات تطبيقات خاصة ومتطلبات محددة. ومن خلال إنشاء مادة جديدة من الصفر، وليس من خلال التعديل الخاضع للرقابة للمنتجات الجاهزة، يستطيع العلماء والمهندسون تطوير مواد لمعالجة مشاكل محددة.
"في الوقت الحاضر، يمكنك استخراج الفحم من مكثفات الأرض وتغييره. لكن من الصعب جدًا تحويلها إلى مادة توفر إجابة لمشكلة محددة تتعلق بجودة الهواء"، يوضح الباحث. من ناحية أخرى، من خلال طريقتنا، من السهل تغيير المادة وضبط نشاطها حسب المتطلبات المطلوبة عن طريق تغيير مساحة سطحها وكمية الحديد المضاف. طريقتنا بسيطة ومرنة ومتكيفة مع الحاجة المطلوبة."
وفي الخطوة التالية، سيقوم فريق البحث بدراسة التطبيقات الممكنة لهذه الطريقة. إنهم يحاولون بالفعل تطوير كريات عالية الكربون سيتم استخدامها لإزالة أكسيد النيتروجين والزئبق والديوكسين من انبعاثات الغاز - وهي ثلاثة ملوثات خطيرة على صحة الإنسان تنشأ من انبعاثات وحدات الاحتراق.
حاليًا، تتم معالجة هذه الملوثات الثلاثة بشكل منفصل باستخدام المواد الممتصة والمحفزة القائمة على الكربون، لكن فريق البحث يأمل في الاستفادة من قدرات الامتزاز لكريات الكربون وتفاعلية الحديد لإزالة هذه الملوثات الثلاثة من تيار الانبعاثات في نفس الوقت. وقت.
يوضح الباحث الرئيسي: "نحن نحاول الاستفادة من مزايا هذه المواد، سواء من حيث كونها مسامية أو من حيث كونها محفزة". "الكربون مادة متعددة الاستخدامات ومرنة للغاية. أرى في نظري إمكانية استخدام هذه الطريقة لتطوير آلية تحكم على عدة ملوثات في نفس الوقت، والتي ستستفيد من خاصية المسامية وخاصية الحفز للتعامل مع المشكلتين في خطوة واحدة.
أخبار الدراسة
