تبدیل زباله به گرافین با روشی نوین

دانشمندان دانشگاه رایس اخیرا با کمک "جیمز تور" (James Tour) شیمی‌دان این دانشگاه و "روزبه شهسواری"، استادیار دانشکده انجنیری عمران و محیط زیست و علوم مواد و نانو تکنالوژی دانشگاه رایس و رئیس شرکت تکنالوژی‌های" C-Crete "موفق به تبدیل مقادیر زیادی ازهرمنبع کربن به تکه‌های با ارزش گرافین شده‌اند.

به گفته پژوهشگران، روند انجام این کار سریع و ارزان بوده است. برای مثال تبدیل پوست موز به گرافین می‌تواند به کاهش چشمگیر تأثیرات زیست محیطی بتون یعنی سمنت و سایر مصالح ساختمانی کمک کند. دانشمندان این مطالعه اظهار کردند این روش که "فلش گرافین" (flash graphene) نام دارد، می‌تواند یک تن زغال سنگ، پسماند غذایی و یا پلاستیک‌ را به گرافین تبدیل کند.

گرافین (Graphene) نامِ یکی از آلوتروپ‌هایِ کاربن است. این ماده تشکیل‌شده از یک ساختار بلوری لانه زنبوری دوبعدی است که در آن هر اتم کاربن به کمک سه الکترون ظرفیت خود، با سه پیوند SP2 هایبریدیزه شده به سه اتم کاربن دیگر متصل شده‌است. یک الکترون ظرفیت باقی‌مانده نیز بر روی تمام صفحه گرافین و بین تمام اتم‌ها به اشتراک گذاشته‌شده و الکترونِ آزاد است.

"جیمز تور" گفت: این یک کار بزرگ است. در جهان حدود ۳۰ الی ۴۰ فیصد ضایعات غذاها دور ریخته می‌شوند و زباله‌های پلاستیکی نیز به همین صورت است که این موضوعی واقعا نگران‌کننده است. ما قبلاً ثابت کرده‌ایم که هر ماده جامد مبتنی بر کاربن، از جمله ضایعات پلاستیکی مختلط و لاستیک می‌تواند به گرافین تبدیل شود.

طی این مطالعه که در مجله "نیچر" منتشر شد، فلش گرافین تنها در ۱۰ میلی ثانیه با گرم کردن مواد حاوی کاربن تا ۳ هزاردرجه کلوین (حدود ۵ هزار درجه فارنهایت) ساخته میشود. مواد منبع تقریبا میتواند هر مواد حاوی کاربن باشد. به گفته "تور"، پسماندهای غذایی، زباله‌های پلاستیکی، کیک نفتی، زغال سنگ، الوار و بیوچار بهترین گزینه برای تبدیل به گرافین هستند.

کیک نفتی (Petroleum coke) ماده جامد نهایی کاربن است که از فرایند پالایش نفت حاصل میشود و گروهی از سوخت‌ها بشمار می‌آید که به عنوان کیک‌ها شناخته میشوند. کیک نفتی به‌طور خاص از یک فرایند نهایی کراکینگ حاصل می‌شود که از فرایندهای انجنیریکیمیا بشمار می‌آید و هایدروکاربن‌های زنجیره‌ای نفت را در بخشی به نام واحد کوکر، به زنجیره‌های کوتاه‌تر تقسیم می‌کند. کیک نفتی همراه با الکترود گرافیتی از مواد مورد نیاز برای صنعت فولاد است.

"تور" در ادامه افزود: با توجه به قیمت فعلی گرافین که بین ۶۷ هزار تا ۲۰۰ هزار دالر در هر تن است، انجام این کار می‌تواند بسیار عالی و ارزشمند باشد.

غلظت تقریباً صفر اعشاریه یک فیصد فلش گرافین در سیمانی که برای اتصال بتون استفاده می‌شود، میتواند تأثیر محیطی عظیم آن را تا یک سوم کاهش دهد. طبق گفته‌ها تولید سیمنت به اندازه ۸ فیصد دی اکسید کاربن منتشر شده توسط انسان‌ها در هر سال است.

"تور" درادامه افزود: با تقویت بتون با گرافین، میتوان ازبتون کمتری برای ساخت وسازاستفاده کرد وهزینه این روش نیزکمتراست. ما گازهای گلخانه‌ای مانند کاربن دای اکساید ومتان راکه پسمانده های غذایی ممکن است درگورستان کثافات شهری تولید کنند را به دام می‌اندازیم. ما آن دسته ازکاربن‌هارا به گرافین تبدیل میکنیم وگرافین رابه بتن اضافه میکنیم وبدین ترتیب میزان دی اکسیدکاربن تولیدشده درساخت بتن کاهش مییابد. این یک سناریواست که توسط گرافین میتوانیم ازمحیط زیستمان محافظت کنیم.

"روزبه شهسواری" یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: تبدیل زباله به گنج (گرافین) برای اقتصاد دورانی بسیارمهم است. در این آزمایش، گرافین هم به عنوان یک قالب یا الگوی ۲ بعدی و هم یک عامل تقویت کننده عمل می‌کند که هایدراتاسیون سیمنت و توسعه قدرت بعدی آن را کنترل می‌کند.

اقتصاد دورانی یا چرخشی (Circular Economy) یک نظام اقتصادی است که هدف آن کمینه کردن ضایعات و بیشترین استفاده از منابع است.

"تور نیز در ادامه گفت: در گذشته گرافین بسیار گران بود و استفاده از آن نیز هزینه بسیاری برای افراد در برمیداشت؛ اما فرایند فلش میتواند به خوبی هزینه را کاهش دهد و به ما کمک کند تا به بهترین وجه ممکن ضایعات را مدیریت کنیم. با این روش که ما توسعه دادیم، این کربن هرگز مجددا به هوا بازنخواهد گشت.

این فرایند به خوبی با برنامه آینده‌نگرانه این دانشگاه که Carbon Hub نام دارد، مطابقت دارد؛ زیرا پژوهشگران طی این برنامه قصد دارند میزان انتشار کاربن را به صفر برسانند. به گفته "تور"، فرایند گرافن فلش می‌تواند کاربن جامد را به گرافین مورد نیاز بتن، آسفالت، ساختمان‌ها، ماشین‌ها، پوشاک و موارد دیگر تبدیل کند.

"گرمایش ژول فلش" برای حجم زیادی از گرافین‌ها توسط "دوی لونگ" (Duy Luong)، دانشجوی فارغ‌التحصیل دانشگاه رایس و نویسنده اصلی این مطالعه توسعه یافته است.

فرآیند فلاش در یک راکتور طراحی سفارشی اتفاق می‌افتد که مواد را به سرعت گرم می‌کند و همه عناصر غیر کاربن را به عنوان گاز ساطع می‌کند. هنگامی که این فرآیند صنعتی می‌شود، عناصری مانند اکسیژن و نیتروژن که از راکتور فلش خارج می‌شوند، همه می‌توانند به عنوان مولکول‌های کوچک به دام افتند؛ زیرا دارای ارزش بالایی هستند.

پژوهشگران گفتند: فرآیند فلاش گرمای بسیار کمی را تولید می‌کند و تقریبا تمام انرژی آن را به سمت هدف هدایت می‌کند، به طوری‌که می‌توانید چند ثانیه بعد انگشت خود را درست روی ظرف بگذارید. البته باید ذکر کرد این تقریباً سه برابر گرمتر از کوره‌های رسوب بخار کیمیاوی است که قبلاً برای ساختن گرافین از آنها استفاده می‌کردیم؛ اما در فرآیند فلاش گرما در ماده کاربن متمرکز است. تمام انرژی اضافی به عنوان نور، در یک فلاش بسیار روشن به وجود می‌آید و از آنجا که هیچ حلالی وجود ندارد، این یک فرایند بسیار تمیز است.

"لونگ" انتظار نداشت که وقتی اولین دستگاه در مقیاس کوچک را توسعه دهد؛ بتواند به گرافین دست یابد. وی در این باره گفت: این ایده زمانی در ذهن من به وجود آمد  که یک مقاله علمی که در مورد گرم کردن "فلش ژول" بود را خواندم و در آنجا گفته بود گرم کردن "فلش ژول" نانوذرات تغییر یافته فلزات را تغییر می‌دهند.

شبیه‌سازی سطح اتمی توسط محقق و نویسنده این مطالعه از دانشگاه رایس "سنیا بتس" (Ksenia Bets) تأیید کرد که دما برای تشکیل سریع ماده مهم است.

او گفت: ما اساساً روند زمین‌شناسی آهسته‌ای را که کاربن در آن به حالت گرافیکی تبدیل می‌شود، سرعت می‌بخشیم.

"جیمز تور" امیدوار است ظرف مدت دو سال روزانه یک کیلوگرم (۲.۲ پوند) "گرافین فلش" تولید کند و بودجه این پروژه  نیز توسط وزارت انرژی ایالات متحده آمریکا تأمین خواهد شد.