ดินเหนียวสามารถจับคาร์บอนไดออกไซด์ได้หรือไม่?

นี่เป็นความท้าทายสำหรับนักวิจัยที่พยายามออกแบบต้นไม้เทียมหรือวิธีอื่นๆ ในการดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยตรงจากอากาศ ความท้าทายนั้นเป็นหนึ่งในทีมนักวิทยาศาสตร์ที่นำโดย Sandia National Laboratories กำลังพยายามแก้ไข นำโดยวิศวกรเคมีของ Sandia Tuan Ho ทีมงานได้ใช้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังรวมกับการทดลองในห้องปฏิบัติการเพื่อศึกษาว่าดินชนิดหนึ่งสามารถดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และกักเก็บไว้ได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์แบ่งปันการค้นพบครั้งแรกของพวกเขาในบทความที่ตีพิมพ์เมื่อต้นสัปดาห์นี้ในThe Journal of Physical Chemistry Letters "การค้นพบพื้นฐานเหล่านี้มีศักยภาพในการดักจับอากาศโดยตรง นั่นคือสิ่งที่เรากำลังดำเนินการ" โฮ ผู้เขียนนำในรายงานกล่าว "ดินเหนียวมีราคาไม่แพงและมีอยู่มากมายในธรรมชาติ ซึ่งน่าจะช่วยให้เราสามารถลดต้นทุนในการดักจับคาร์บอนในอากาศโดยตรงได้อย่างมาก หากโครงการที่มีความเสี่ยงสูงและให้ผลตอบแทนสูงนี้นำไปสู่เทคโนโลยีในท้ายที่สุด" ทำไมต้องจับคาร์บอน? การดักจับและการกักเก็บคาร์บอนเป็นกระบวนการในการดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ส่วนเกินจากชั้นบรรยากาศโลกและกักเก็บไว้ใต้ดินลึก โดยมีจุดประสงค์เพื่อลดผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ เช่น พายุรุนแรงที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งขึ้น ระดับน้ำทะเลที่สูงขึ้น ความแห้งแล้งและไฟป่าที่เพิ่มขึ้น ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์นี้สามารถจับได้จากโรงไฟฟ้าที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลหรือโรงงานอุตสาหกรรมอื่นๆ เช่น เตาเผาซีเมนต์ หรือจากอากาศโดยตรง ซึ่งเป็นความท้าทายทางเทคโนโลยีมากกว่า การดักจับและการกักเก็บคาร์บอนถือเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่มีการโต้เถียงกันน้อยที่สุดซึ่งถูกพิจารณาสำหรับการแทรกแซงสภาพภูมิอากาศ "เราต้องการพลังงานต้นทุนต่ำโดยไม่ทำลายสิ่งแวดล้อม" Susan Rempe วิศวกรชีวภาพของ Sandia และนักวิทยาศาสตร์อาวุโสของโครงการนี้กล่าว "เราสามารถดำเนินชีวิตในวิถีที่ไม่ก่อให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มากนัก แต่เราไม่สามารถควบคุมสิ่งที่เพื่อนบ้านของเราทำได้ การดักจับคาร์บอนในอากาศโดยตรงมีความสำคัญต่อการลดปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศและบรรเทาก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เพื่อนบ้านของเราปล่อย" โฮจินตนาการว่าอุปกรณ์ที่ทำจากดินเหนียวสามารถใช้เหมือนฟองน้ำเพื่อดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ จากนั้นก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์อาจถูก "บีบ" ออกจากฟองน้ำและสูบน้ำลึกลงไปใต้ดิน หรือสามารถใช้ดินเหนียวเหมือนตัวกรองเพื่อดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากอากาศเพื่อกักเก็บ นอกจากจะมีราคาถูกและหาซื้อได้ทั่วไปแล้ว ดินเหนียวยังมีความเสถียรและมีพื้นที่ผิวสูงอีกด้วย ดินเหนียวประกอบด้วยอนุภาคขนาดจิ๋วจำนวนมาก ซึ่งทำให้เกิดรอยแตกและรอยแยกที่เล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมประมาณแสนเท่า โพรงขนาดเล็กเหล่านี้เรียกว่ารูพรุนระดับนาโน และคุณสมบัติทางเคมีสามารถเปลี่ยนแปลงภายในรูพรุนระดับนาโนเหล่านี้ได้ Rempe กล่าว นี่ไม่ใช่ครั้งแรกที่ Rempe ศึกษาวัสดุโครงสร้างนาโนเพื่อดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ เธอเป็นส่วนหนึ่งของทีมที่ศึกษาตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพสำหรับเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นไบคาร์บอเนตที่เสถียรต่อน้ำ ปรับแต่งเยื่อบางที่มีโครงสร้างระดับนาโนเพื่อปกป้องตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพ และได้รับสิทธิบัตรสำหรับเยื่อกรองคาร์บอนที่ได้แรงบันดาลใจมาจากชีวภาพ แน่นอนว่าเยื่อแผ่นนี้ไม่ได้ทำมาจากดินเหนียวราคาไม่แพง และเริ่มแรกได้รับการออกแบบให้ทำงานในโรงไฟฟ้าที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลหรือโรงงานอุตสาหกรรมอื่นๆ Rempe กล่าว "นี่เป็นวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้สองแบบสำหรับปัญหาเดียวกัน" เธอกล่าว จะจำลองระดับนาโนได้อย่างไร? ไดนามิกส์ของโมเลกุลเป็นการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ประเภทหนึ่งที่ดูการเคลื่อนไหวและปฏิสัมพันธ์ของอะตอมและโมเลกุลในระดับนาโน คาร์บอน เมื่อพิจารณาจากปฏิสัมพันธ์เหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณความเสถียรของโมเลกุลในสภาพแวดล้อมหนึ่งๆ เช่น ในรูพรุนของดินเหนียวที่เต็มไปด้วยน้ำ "การจำลองระดับโมเลกุลเป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพในการศึกษาปฏิสัมพันธ์ในระดับโมเลกุล" โฮกล่าว "ข้อมูลนี้ช่วยให้เราเข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าเกิดอะไรขึ้นระหว่างคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และดินเหนียว และเป้าหมายคือการใช้ข้อมูลนี้เพื่อออกแบบวัสดุดินเหนียวสำหรับการใช้งานในการดักจับคาร์บอน" ในกรณีนี้ การจำลองไดนามิกของโมเลกุลที่ดำเนินการโดย Ho แสดงให้เห็นว่าคาร์บอนไดออกไซด์สามารถคงตัวในรูพรุนของดินเหนียวเปียกได้ดีกว่าในน้ำธรรมดา Ho กล่าว นี่เป็นเพราะอะตอมในน้ำไม่แบ่งอิเล็กตรอนเท่าๆ กัน ทำให้ปลายด้านหนึ่งมีประจุบวกเล็กน้อย และปลายอีกข้างหนึ่งมีประจุลบเล็กน้อย ในทางกลับกัน อะตอมในคาร์บอนไดออกไซด์ใช้อิเล็กตรอนร่วมกันเท่าๆ กัน และเช่นเดียวกับน้ำมันที่ผสมกับน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์จะเสถียรกว่าใกล้กับโมเลกุลที่คล้ายกัน เช่น บริเวณซิลิกอน-ออกซิเจนของดินเหนียว Rempe กล่าว ผู้ทำงานร่วมกันจาก Purdue University นำโดยศาสตราจารย์ Cliff Johnston เพิ่งใช้การทดลองเพื่อยืนยันว่าน้ำที่กักขังอยู่ใน nanopores ของดินเหนียวดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ได้มากกว่าน้ำเปล่า Ho กล่าว นักวิจัยหลังปริญญาเอกของ Sandia Nabankur Dasgupta ยังพบว่าภายในบริเวณที่คล้ายน้ำมันของรูพรุนนาโนนั้นใช้พลังงานน้อยกว่าในการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นกรดคาร์บอนิก และทำให้ปฏิกิริยาดีขึ้นเมื่อเทียบกับการเปลี่ยนน้ำแบบเดียวกันในน้ำเปล่า Ho กล่าว ด้วยการทำให้การแปลงนี้เป็นที่น่าพอใจและใช้พลังงานน้อยลง ในท้ายที่สุด บริเวณที่มีลักษณะคล้ายน้ำมันของรูพรุนของดินเหนียวทำให้สามารถดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ได้มากขึ้นและจัดเก็บได้ง่ายขึ้น เขากล่าวเสริม Rempe กล่าวว่า "จนถึงตอนนี้ สิ่งนี้บอกเราว่าดินเป็นวัสดุที่ดีในการดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และเปลี่ยนเป็นโมเลกุลอื่น" Rempe กล่าว "และเราเข้าใจว่าทำไมจึงเป็นเช่นนั้น เพื่อให้ผู้สังเคราะห์และวิศวกรสามารถปรับเปลี่ยนวัสดุเพื่อปรับปรุงสิ่งนั้นได้ การจำลองยังสามารถเป็นแนวทางในการทดลองเพื่อทดสอบสมมติฐานใหม่" ขั้นตอนต่อไปสำหรับโครงการนี้คือการใช้การจำลองและการทดลองเชิงพลวัตของโมเลกุลเพื่อหาวิธีนำก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์กลับออกจากรูพรุนระดับนาโน โฮกล่าว เมื่อสิ้นสุดโครงการระยะเวลา 3 ปี พวกเขาวางแผนที่จะสร้างแนวคิดเกี่ยวกับอุปกรณ์ดักจับคาร์บอนจากอากาศโดยตรงที่ใช้ดินเหนียว โครงการนี้ได้รับทุนสนับสนุนจากโครงการวิจัยและพัฒนาในห้องปฏิบัติการของ Sandia การวิจัยบางส่วนดำเนินการที่ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแบบบูรณาการ ซึ่งเป็นสำนักงานผู้ใช้วิทยาศาสตร์ที่ดำเนินการโดยกระทรวงพลังงานโดยห้องปฏิบัติการแห่งชาติของ Sandia และ Los Alamos Sandia National Laboratories เป็นห้องปฏิบัติการแบบหลายภารกิจที่ดำเนินการโดย National Technology and Engineering Solutions ของ Sandia LLC ซึ่งเป็นบริษัทในเครือของ Honeywell International Inc. สำหรับสำนักงานบริหารความมั่นคงนิวเคลียร์แห่งชาติของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ Sandia Labs มีหน้าที่รับผิดชอบด้านการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญในด้านการป้องกันนิวเคลียร์ ความมั่นคงทั่วโลก การป้องกัน เทคโนโลยีพลังงาน และความสามารถในการแข่งขันทางเศรษฐกิจ โดยมีโรงงานหลักในเมืองอัลบูเคอร์กี รัฐนิวเม็กซิโก และเมืองลิเวอร์มอร์ รัฐแคลิฟอร์เนีย