איך ממירים פסולת לחומר הכימי החשוב גרפן?

תהליך ידידותי לסביבה טומן בחובו הבטחה לייצור של גרפן טהור בכמויות גדולות בעזרת שימוש בפסולת מזון, פלסטיק וחומרים אחרים

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]

מדענים עושים שימוש באלומות עתירות אנרגיה של חשמל על מנת להמיר כל מקור המכיל פחמן לגרפן גבישי בין רגע. התהליך מבטיח תועלות סביבתיות באמצעות המרה של פסולת לחומר יקר הערך גרפן שניתן להשתמש בו לשם חיזוק בטון ולהוסיפו לחומרים מרוכבים אחרים. תוצרים אלו יוכלו להפחית באופן משמעותי את ההשפעה הסביבתית של מלט ושל חומרי בנייה אחרים.

תהליך חדשני שפותח במעבדת הכימיה של החוקר James Tour באוניברסיטת רייס מאפשר להמיר כמויות נכבדות של כל מקור פחמן לכדי פתיתים של החומר יקר הערך גרפן. התהליך מהיר וזול; החוקר הראשי אומר: “השיטה של ‘הבזק גרפן’ יכולה להמיר טון של פחם, של פסולת מזון או של פלסטיק לגרפן בשבריר המחיר של שיטות ייצור אחרות של גרפן בכמויות גדולות”. “אלו ממצאים חשובים,” אומר החוקר הראשי. “האנושות זורקת בין שלושים לארבעים אחוזים מכלל המזון המיוצר, מאחר והמזון מתקלקל, ובנוסף – פסולת פלסטיק הופכת לדאגה כלל עולמית. כבר הוכחנו שכל חומר מוצק מבוסס פחמן, לרבות פסולת פלסטיק מעורבת וצמיגי גומי, ניתן להמרה לגרפן”.

כפי שפורסם בכתב העת המדעי והיוקרתי Nature, ‘הבזק גרפן’ מתקבל בתוך עשר מילישניות על ידי חימום חומרים מכילי פחמן לטמפרטורה של 5000 מעלות צלזיוס. חומר המקור יכול להיות כמעט כל חומר המכיל פחמן – פסולת מזון, פלסטיק, קוק נפט, פחם, גזירי עץ הם המועמדים עיקריים, אומר החוקר. “לאור המחיר המסחרי הנוכחי היקר של גרפן שהוא בין 67 ל-200 אלפי דולרים לטון, ההשלכות של תהליך חדשני זה חשובות,” אמר החוקר. החוקר מסביר כי ריכוז מזערי של אפילו 0.1% של גרפן הבזק בתוך צמנט המשמש להחזיק את המלט בצורה יציבה יוכל להפחית את ההשפעה הסביבתית שלו פי שלושה. ייצור של מלט פולט מדי שנה כשמונה אחוזים מכלל דו-תחמוצת הפחמן מעשה ידי אדם.

“באמצעות חיזוק המלט על ידי שילוב של גרפן נוכל להשתמש בפחות מלט לבנייה, וכך תשומות הייצור וההובלה יפחתו”. “בסופו של דבר, אנו לוכדים גזי חממה כגון פחמן דו-חמצני ומתאן שאחרת היו נפלטים על ידי פסולת המזון לתוך מטמנות בקרקע. אנו ממירים את חומרי הפחמן הללו לגרפן ואז משלבים את הגרפן בחומרים אחרים, כדוגמת מלט, ובך מפחיתים את כמות הפחמן הדו-חמצני המתקבלת בייצור מלט. השימוש הזה בגרפן הוא יתרון סביבתי ברור”.

“המרת פסולת לחומר יקר ערך הוא יסוד מרכזי בתחום של ‘כלכלה מעגלית’,” אמר אחד מהחוקרים. “במקרה שלנו, הגרפן משמש הן בתור תבנית דו-ממדית והן כחומר חיזוק ששולט בשלב המיום (hydration) של המלט, ובסופו של דבר בהתפתחות החוזק שלו”.

בעבר, מסביר החוקר הראשי, “גרפן היה יקר מדי לשימוש ביישומים כאלו. תהליך ההבזק יפחית באופן משמעותי את המחיר ובנוסף, יסייע בניהול נכון יותר של פסולת”. “בעזרת התהליך שלנו, הפחמן הזה עובר קיבוע”, אמר החוקר. “הוא לא יחזור שוב לאוויר בסביבה”.

תהליך הבזק הגרפן יוכל להמיר פחמן מוצק לגרפן לשימוש במלט, באספלט, בחומרים לבנייה, ברכבים, בביגוד ובתחומים נוספים, מציין החוקר. תהליך ההבזק מתרחש במגוב שעוצב במיוחד לשם כך, שבו מחממים במהירות את החומר ופולטים החוצה את כל היסודות הפחמניים בתור גז. “כאשר תהליך זה יהפוך לתעשייתי, יסודות כגון חמצן וחנקן הנפלטים ממגוב ההבזק יוכלו להילכד בתור מולקולות קטנות בעלות ערך”. החוקר הראשי טוען כי תהליך ההבזק מייצר חום עודף בכמות קטנה, תוך ניתוב מרבית האנרגיה שלו למטרה הנדרשת. “כל האנרגיה העודפת נפלטת בתור אור, בצורת הבזק בהיר מאוד, ומאחר והתהליך נטול ממסים, הוא תהליך נקי במיוחד”. החוקר הראשי מקווה להגיע בתוך שנתיים של מחקר למצב שבו ניתן יהיה לייצר קילוגרם אחד של גרפן הבזק מדי יום.

תקציר המאמר

הידיעה אודות המחקר

עוד בנושא באתר הידען:

• האם נמצאה שיטה זולה ויעילה לייצור גרפן?
• מוליך למחצה בעובי של אטום יחיד
• לֶגו בקנה מידה אטומי / חתן פרס נובל אנדרה ק’ גֵיים