חוקרים מאוניברסיטת אילינוי הדגימו שיטה פשוטה יותר לחיבור ברזל לכדוריות פחמן זעירות לשם קבלת חומר קטליטי בעל יכולת להרחיק מזהמים המצויים בגז או בנוזל
חוקרים מאוניברסיטת אילינוי הדגימו שיטה פשוטה יותר לחיבור ברזל לכדוריות פחמן זעירות לשם קבלת חומר קטליטי בעל יכולת להרחיק מזהמים המצויים בגז או בנוזל.
ניתן להשתמש במבנה פחמן כמצע תומך עבור זרזים, כגון ברזל ומתכות אחרות. ברזל מהווה זרז זול יחסית וזמין בעל יישומים קטליטיים אפשריים בתחומים של תאי דלק ובתחומי הסביבה (ספיחת כימיקלים מזיקים, כגון ארסן ופחמן חד-חמצני). חוקרים מאוניברסיטת אילינוי הצליחו להכין מצע פחמני המכיל חרירים או תעלות רבים, בדומה לספוג. שטח הפנים הגדול המתקבל כתוצאה מקיומם של חרירים אלו מספק אתרים רבים לפיזור חלקיקי ברזל זעירים לכל אורכו ורוחבו של המצע.
מקור נפוץ לפחמן הינו פחם. באופן רגיל, מדענים מצליחים להפוך חומרים מבוססי-פחם לכדי פחמן פעיל עתיר-חרירים ואז מוסיפים לו זרז. תהליך רב-שלבי זה אורך זמן רב ומצריך השקעת אנרגיה רבה. בנוסף, חומרים שמקורם בפחם עלולים להיות מזוהמים באפר, אשר בתורו עלול להכיל שאריות של מתכות אחרות הפוגמות בפעילותו הקטליטית של החומר הסופי. התהליך החדשני של החוקרים, שהינו זול וללא אפר פחם, מאפשר קבלת פחמן מסוכר ולא מפחם.
בתהליך רציף ובשלב אחד מתקבלות כדוריות זעירות, מיקרוניות, של פחמן נקבובי דמוי-ספוג המשובץ בתוך ננו-חלקיקי ברזל – והכל תוך מספר שניות.
“זה המאפיין המהותי שמבדיל את השיטה שלנו משיטות אחרות. חלק מהמדענים הצליחו לשלב בין פחמן לבין ברזל, אך שטח הפנים שהתקבל היה קטן. מדענים אחרים הצליחו לקבל שטח פנים גדול, אך לא הצליחו לחבר להם ברזל,” מסביר החוקר הראשי. “השיטה שלנו מספקת הן את פני-שטח הפחמן הנרחבים והן את ננו-חלקיקי הברזל בתהליך אחד.”
החוקרים הסתמכו על שיטה הקרויה בשם “פירוליזת רסס על-קולית” (ultrasonic spray pyrolysis, USP), שפותחה עוד בשנת 2005 באוניברסיטת אילינוי במעבדתו של הפרופסור לכימיה Kenneth Suslick. חוקר זה השתמש במְלַחְלֵחַ (מפזר אדים, humidifier) ביתי בכדי לקבל אדים זערוריים של תמיסה עתירת-פחמן שאותה הוא העביר דרך כבשן חם ביותר אשר גרם להתנדפות המים מכל טיפה וטיפה וליצירת כדוריות פחמן זעירות נקבוביות ביותר.
החוקר Atkinson השתמש בשיטה זו להכנת כדוריות הפחמן, ויחד עימה הוסיף לתמיסת סוכר עתירת-פחמן מלח המכיל ברזל. כאשר זרם האדים מוכנס לכבשן, החום הרב שבתוכו מעודד את התרחשותה של תגובה כימית בין מרכיבי התמיסה היוצרים את כדוריות הפחמן לבין חלקיקי הברזל המפוזרים בה. “ניצלנו את שיטת ה- USP ולתוכה שילבנו בו-זמנית גם החדרה של ננו-חלקיקי מתכת לפחמן הנקבובי,” מסביר החוקר הראשי. “השיטה פשוטה מכיוון שהיא רציפה. אנו מסוגלים לבודד את החומר הפחמני, להוסיף לו נקבוביות ולהחדיר אליו ברזל בשלב אחד.”
יתרון נוסף בשיטה זו טמון ביכולתה לייצר חומרים בעלי יישומים מיוחדים ודרישות מוגדרות. באמצעות ייצור חומר חדש מההתחלה, במקום באמצעות שינוי מבוקר של מוצרים מוכנים, המדענים והמהנדסים מסוגלים לפתח חומרים שייתנו מענה לבעיות מוגדרות.
“כיום, אתה יכול לכרות פחם ממעבה האדמה ולשנות אותו. אבל, זה די קשה להפוך אותו לחומר שייתן מענה לבעיית איכות אוויר מוגדרת,” מסביר החוקר. לעומת זאת, בשיטה שלנו קל לשנות את החומר ולהתאים את פעילותו לדרישות מתבקשות באמצעות שינוי שטח הפנים שלו וכמות הברזל המוספת. השיטה שלנו פשוטה, גמישה ומותאמת לצורך הנדרש.”
בשלב הבא, צוות המחקר יבחן את היישומים האפשריים של שיטה זו. כבר כעת הם מנסים לפתח כדוריות עתירות-פחמן שישמשו להרחקת תחמוצת חנקן, כספית ודיאוקסין מפליטות גז – שלושה מזהמים מסוכנים לבריאות האדם שמקורם בפליטות של יחידות שריפה.
כיום, שלושת המזהמים הללו מטופלים באופן נפרד באמצעות חומרי-ספיחה מבוססי-פחמן וזרזים, אולם צוות המחקר מקווה לנצל את יכולות הספיחה של כדוריות הפחמן והתגובתיות של הברזל בכדי להרחיק את כל שלושת המזהמים הללו מזרם הפליטות בו-זמנית.
“אנו מנסים לנצל את היתרונות של חומרים אלו, הן מבחינת היותם נקבוביים והן מבחינת היותם קטליטיים,” מסביר החוקר הראשי. “פחמן הינו חומר רב-תכליתי וגמיש ביותר. בעיני רוחי אני רואה את האפשרות להשתמש בשיטה זו עבור הפיתוח של מנגנון בקרה על מספר מזהמים בו-זמנית שינצל את תכונת הנקבוביות ואת תכונת הקטליזה בכדי להתמודד עם שתי הבעיות בשלב אחד”.
הידיעה על המחקר
