חומר ספוגי חדיש לשמירה על הסביבה: יאפשר הרחקת כספית מהמים

חומר חדיש דמוי-ספוג, פריך ובצבע שחור, שהוכן ע”י ייבוש בהקפאה מסוגל לבצע משימות די מרשימות

חומר חדיש דמוי-ספוג, פריך ובצבע שחור, שהוכן ע”י ייבוש בהקפאה (בדומה לגלידה שניזונים ממנה האסטרונאוטים) מסוגל לבצע משימות די מרשימות. החומר, שהוכן ע”י כימאים מאוניברסיטת Northwestern מסוגל להרחיק כספית ממקורות מים מזוהמים, להפריד מימן מגזים אחרים והינו זרז יעיל יותר מזה המשמש כיום להרחקת תרכובות גופרית מנפט גולמי.

סילוק גָּפְרִית מֵימָנִית (Hydrodesulfurization) הינו תהליך כימי קטליטי נפוץ ביותר המרחיק גופרית מגז טבעי ומתזקיקי נפט, כגון בנזין, דיזל ודלק מטוסים. בהעדר תהליך יעיל זה היינו ממשיכים לשרוף גופרית – תהליך התורם להיווצרותו של גשם חומצי.

מדענים ניסו לשפר את התהליך, אך ללא הצלחה. רבים מהמדענים סוברים כי התהליך הקיים היום הינו המיטבי האפשרי. חוקרי האוניברסיטה, בשיתוף פעולה עם עמיתיהם באוניברסיטת Western Washington, מדווחים כי החומר החדיש שלהם פעיל פי שניים מהזרז הנפוץ כיום לתהליך, בעודו מורכב מאותם הרכיבים.

החומר החדיש, קובלט-מוליבדן-גופרית, הינו סוג חדש של כאלקוג'ל (chalcogels), משפחת חומרים שהתגלתה רק לפני מספר שנים באותה האוניברסיטה. חומרים אלו הינם רשתות בלתי-סדורות של אטומי מתכת-גופרית בעלי שטח-פנים רחב מאוד. החומר החדיש מורכב מיסודות נפוצים, יציב בחשיפה לאוויר או מים ויכול להתקבל בצורת אבקה.

פרטים על החומר החדיש ותכונותיו פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Chemistry. זהו המאמר הראשון בדבר השימוש בחומרים מעין אלו לשם קטליזה כימית והפרדת גזים.

“הופתעתי מפעילותו המרשימה של הזרז שלנו, בהתחשב בקשיים שניצבו בפני החוקרים בניסיונותיהם הקודמים לשפר את תהליך סילוק הגופרית המימנית,” אמר הכותב הראשי של המאמר, הכימאי Mercouri G. Kanatzidis. “בעיקרון, הזרז שלנו יוכל לפעול על כמות כפולה של נפט גולמי מזו של הזרז הקיים. בימים אלה אנו עורכים בדיקות בכדי לבחון כיצד פועל הזרז בתנאים תעשייתיים יותר.”

החוקרים הכינו את הזרז שלהם תוך שימוש בשיטה השונה מזו הרגילה. החומר הינו ג'ל המורכב מקובאלט, ניקל, מוליבדן וגופרית שבשלב הבא עובר תהליך של ייבוש-בהקפאה לקבלת חומר דמוי-ספוג בעל פני-שטח נרחבים ביותר – בנפח של סמ”ק אחד מהחומר קיים שטח פנים השווה לכמחצית משטחו של מגרש כדורגל. שטח פנים נרחב זה ויציבותו של החומר בתנאים קטליטיים הם ההופכים אותו לכה פעיל.

החוקרים הראו גם כי החומר מסוגל לספוג לתוכו מתכות כבדות רעילות ממקורות מים מזוהמים ביעילות חסרת תקדים, שלא קיימת באף חומר ידוע אחר. החומר הצליח להרחיק כתשעים ותשעה אחוזים מהכספית שנמצאה במים מזוהמים בריכוז של מספר חלקים למיליון בלבד. כספית נוטה להיקשר לאטומי גופרית, הנמצאים בכמות נרחבת בחומר החדיש.

לפני שנתיים, אותם החוקרים דיווחו על כאלקוג'ל המסוגל להרחיק כספית מתוך נוזל, אך חומר זה הכיל בתוכו את החומר היקר פלטינה; הכאלקוג'ל החדיש מכיל יסודות בלתי-יקרים בלבד, כאשר ניקל וקובאלט מחליפים את הפלטינה. אטומי הניקל והקובאלט נקשרים לאטומי הגופרית של אניוני התיו-מוליבדאט ליצירת מבנה תלת-מימדי נקבובי.

“הצלחנו לבצע משימה קשה במיוחד: להחליף לחלוטין את הפלטינה תוך שימוש בחומרים נפוצים בלבד ליצירת הג'ל,” מסביר החוקר. “מצאנו את התנאים המתאימים לקבלת התכונות הנדרשות לנו. מרכיב המפתח היה ההחלפה של הממס ממים לפוראמיד.”

בנוסף על היותו זרז טוב יותר להרחקת תרכובות גופרית וכלוכד כספית, החומר יעיל מאוד גם עבור הפרדת גזים. החוקרים הראו כי החומר מרחיק בקלות פחמן דו-חמצני ממימן – יישום שיוכל להיות שימושי בתעשיית המימן. תהליך הפרדת הגזים מנצל את אטומי הגופרית ה”רכים” המצויים בריכוז גבוה על פני השטח של החומר החדיש. אטומים אלו נוטים להגיב עם פרודות רכות אחרות העוברות על-פניהם כך שקצב תנועתן מואט במעבר זה. מימן, היסוד הקטן ביותר, הינו פרודה “קשה”. המימן פשוט “מחליק” דרך החומר בעוד שפרודות רכות כגון פחמן דו-חמצני משתהות בו יותר זמן.

הידיעה על המחקר