تبدیل همزمان دی‌اکسید کربن و متان به مواد مفید شیمیایی

پژوهشگران ایرانی با استفاده از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیم نشست داده شده بر روی توری ضد زنگ موفق به تبدیل همزمان دی‌اکسید کربن و متان به مواد مفید شیمیایی در دمای پایین در طی واکنش فتوکاتالیستی شدند.

پژوهشگران ایرانی با استفاده از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیم نشست داده شده بر روی توری ضد زنگ موفق به تبدیل همزمان دی‌اکسید کربن و متان به مواد مفید شیمیایی در دمای پایین در طی واکنش فتوکاتالیستی شدند.
 
با آغاز فعالیت‌های صنعتی بشر، CO₂ و CH₄ به ترتیب به عنوان مهمترین اجزاء تشکیل‌دهنده گازهای گلخانه‌ای نقش مهمی را در تشدید اثر گلخانه‌ای و بروز معضل گرم شدن کره زمین (Global Warming) و نتایج نگران کننده متعاقب آن داشته‌اند و انعقاد پیمان جهانی کیوتو در سال ۱۹۹۷ مبنی بر ضرورت کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای دلیل محکمی بر این موضوع است. در جهت مقابله با این مشکل، تجزیه همزمان CO₂ و CH₄ می‌تواند یک راه حل مناسب برای کاهش غلظت گازهای گلخانه‌ای در اتمسفر زمین باشد. روش‌های کاتالیستی جهت تبدیل همزمان ‌مولکول‌های پایدار CO₂ و CH₄ به مواد باارزش‌تر مستلزم دماهای بسیار بالا و کاتالیست مناسب است که اعمال دماهای بسیار بالا در این روش منجر به غیر فعال شدن سریع کاتالیست در نتیجه نشست کربن و تغییرات ساختاری سایت‌های فعال کاتالیست می‌گردد. لذا روش‌های دیگر تبدیل همزمان مولکول‌های پایدار CO₂ و CH₄ که در دماهای پایین‌ترقابل اجرا باشند، مطلوبترند. در سال‌های اخیر کاتالیست‌های نیم‌رسانا به دلیل دارا بودن فعالیت فتوکاتالیستی جهت آغاز و پیشبرد واکنش‌های اکسایش-کاهش (redox)، توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. تبدیل CO₂ یک واکنش احیا و تبدیل CH₄ یک واکنش اکسایشی است. واکنش تبدیل همزمان CO₂ و CH₄ یک واکنش ایده‌ال اکسایش-کاهش محسوب می‌شود. استفاده از انرژی نور UV برای غلبه بر سد ترمودینامیکی برخی از واکنش‌های نامطلوب از لحاظ ترمودینامیکی می‌تواند مفید باشد. با این وجود، تنها مقالات بسیار اندکی در مورد واکنش همزمان CO₂ و CH₄ تحت شرایط تابش نور وجود دارد.

در این تحقیق تبدیل همزمان دی‌اکسید کربن و متان به مواد مفید شیمیایی در دمای پایین در طی واکنش فتوکاتالیستی و با استفاده از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیم نشست داده شده بر روی توری ضد زنگ مورد بررسی قرار گرفت.
 
مریم ترابی مرجین دانشجوی دکتری شیمی کاربردی دانشگاه صنعتی مالک اشتر اصفهان در مورد هدف این تحقیقات گفت: «در این تحقیق ما به دنبال استفاده از روش‌های فتوکاتالیستی جهت غلبه بر سد ترمودینامیکی واکنش بسیار گرماگیر تبدیل همزمان مولکول‌های پایدار CO₂ و CH₄ به مواد با ارزشتر بوده‌ایم تا این واکنش در دماهای پایینتر قابل انجام باشد و بهینه‌سازی روش فتوکاتالیستی مورد نظر یکی دیگر از اهداف ما در این تحقیق است.»

این محققان در مرحله اول آزمایشات، با استفاده از یک روش ساده و موثر نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم را بر روی پایه توری تثبیت می‌کنند. ترابی در مورد نحوه نشاندن نانوذرات افزود: «جهت نشست‌دادن نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم بر روی توری، ابتدا مقداری از نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم را در حلال اتانول حل می‌کنیم و سپس اسید نیتریک با PH=3.5 را جهت توزیع یکنواخت نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم در حلال، به دوغاب اضافه می‌کنیم. در مرحله بعد جهت حصول دوغاب کاملاً یکنواخت و اطمینان از حذف کامل ذرات کلوئیدی احتمالی تشکیل شده در دوغاب، دوغاب را به مدت ۳۰ دقیقه به‌وسیله‌ی دستگاه سونیکاتور به صورت کاملاً یکنواخت در می‌آوریم. دوغاب حاصل، آماده نشست داده شدن بر روی پایه است. پایه‌های استفاده شده، توری‌های ضد زنگ با مش سایزهای استاندارد هستند. در این مرحله پایه را که از قبل به فرم دلخواه استوان‌های شکل درآورده و جهت پاک کردن از هر گونه آلاینده، با اسید کلریدریک ۰٫۱ مولار، استون و آب مقطر شستشو داده و خشک کرده‌ایم را در دوغاب فرو برده و بعد از ۱ دقیقه غوطه‌ور کردن، پایه را از دوغاب خارج و به مدت ۱۲ ساعت در دمای ۱۲۰ درجه سانتیگراد خشک و سپس به مدت ۳۰ دقیقه در دمای ۳۵۰ درجه سانتیگراد کلسینه می‌کنیم. به این ترتیب نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم بر روی توری نشست داده شده و آماده استفاده به عنوان فتوکاتالیست در محیط واکنش هستند.»
 

لازم به ذکر است که تست‌های SEM ,XRD وUV–Vis جهت تعیین مشخصات کاتالیست تهیه شده انجام می‌گردند. تمامی آزمایشات در حضور نور UV و در یک راکتور ناپیوسته در فاز گازی انجام گرفته‌اند. راکتور مورد استفاده در این پروژه به‌وسیله‌ی همین تیم تحقیقاتی در آزمایشگاه طراحی و ساخته شده‌است.

 

برای انجام هر آزمایش ابتدا فتوکاتالیست تهیه شده در راکتور قرار داده شده و سپس درب راکتور بسته می‌شود. بعد از انجام تست نشت‌گیری، فضای داخل راکتور خلا شده و سپس راکتور با نسبت‌های مشخص از سازنده‌های خوراک گازی شامل CO₂، CH₄ و He تا فشار اولیه ۶۰ psi پرمی‌گردد. کل حجم فضای داخل راکتور ۱ لیتر است. قبل از شروع واکنش فتوکاتالیستی، ابتدا تست GC (بوسیله دستگاه GC-CGCA-1 مجهز به دتکتور TCD و به صورت on-line) بر روی خوراک داخل راکتور انجام گرفته و سپس لامپ UV داخل راکتور روشن می‌شود و این لحظه آغاز واکنش فتوکاتالیستی محسوب می‌شود. در هر واکنش، لامپ UV به صورت مداوم به مدت ۸ ساعت روشن بوده و در طی این بازه زمانی، در هر ساعت آنالیزهای GC و FTIR برای اندازه‌گیری غلظت اجزاء واکن‌شدهنده و‌ شناسایی ترکیبات تولید شده در طی واکنش انجام می‌گیرند. از میزان درصد تبدیل CO₂ و CH₄ در طی انجام واکنش برای ارزیابی میزان کارایی فتوکاتالیست استفاده می‌گردد. در این تحقیق، تأثیر ۲ پارامتر شامل مش سایز مربوط به توری و نسبت‌های اجزاء سازنده‌ی خوراک CO₂: CH₄: He بر روی کارایی فرایند مورد بررسی قرار گرفته و روش یک متغیر در یک زمان، برای طراحی آزمایشات استفاده می‌گردد و در نهایت با بررسی نتایج به‌دست آمده از آزمایشات، شرایط بهینه فرایند به‌دست می‌آید.
 
نتایج این تحقیق، ۲۷٫۹ % و ۳۳٫۴ % تبدیل را به ترتیب برای دی‌اکسیدکربن و متان تحت شرایط بهینه نشان می‌دهد که بیانگر کارایی بسیار مطلوب فتوکاتالیست نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم نشست داده شده بر روی توری برای تبدیل همزمان دی‌اکسید کربن و متان است. شکل ۳ روند تجزیه فتوکاتالیستی دی‌اکسیدکربن و متان را در شرایط بهینه طی گذشت زمان نشان می‌دهد.
 

همچنین آنالیز محصولات به‌وسیله‌ی FTIR در شرایط بهینه، بیانگر تولید مشتقات فرمات و استات بوده و عدم تولید محصول در عدم حضور نور UV دلیل بر فتوکاتالیستی بودن این فرایند است. با توجه به نتایج به‌دست آمده از آزمایشات، سیستم فتوکاتالیستی ساخته‌شده در این کار تحقیقاتی دارای کارایی بسیار مطلوب در مقیاس آزمایشگاهی است و این قدم مهمّی در جهت ساخت فتوراکتور با ظرفیت تبدیل دی‌اکسیدکربن و متان اتمسفریک به مواد شیمیایی در مقیاس صنعتی محسوب می‌گردد.

نتایج این کار تحقیقاتی که به دست مریم ترابی مرجین، دکتر شهرام شریف‌نیا (دانشیار و هیئت علمی گروه مهندسی شیمی گرایش کاتالیست دانشگاه رازی کرمانشاه)، دکتر سید نظامالدین حسینی (هیئت علمی مجتمع تحقیقاتی و تولیدی انستیتو پاستور ایران) و خانم ندا یزدانپور (کارشناس ارشد مهندسی شیمی) صورت گرفته است، در مجله Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers (جلد ۴۴، شماره ۲، مارس سال ۲۰۱۳، صفحات ۲۳۹–۲۴۶) منتشرشده است.