معرفی روشی نوین و سبز برای تبدیل متان به هیدروژن توسط محققان امیرکبیر

به گزارش گروه علمی ایرنا فاطمه احمدی نوری دانش آموخته دکترا و مجری طرح، عنوان تحقیقات اجرای شده را افزایش بازده تبدیل متان به هیدروژن به روش تخلیه اسپارک به همراه پلاسمای القای لیزری (SD-LIP) عنوان کرد و گفت: افزایش روزافزون تقاضا برای انرژی منجر به گرمایش جهانی، تغییرات اقلیم و تولید زیاد گازهای گلخانه‌ای می‌شود و این مساله نیاز فوری به تبدیل گازهای گلخانه‌ای، به طور ویژه گاز متان و دی‌اکسید کربن، به محصولات باارزش را مهم‌تر کرده است.

وی با اشاره به گزارش هیات دولتی بین‌المللی تغییرات آب و هوایی، تاکید کرد: بر این اساس متان در یک دوره ۲۰ ساله ۸۶ برابر بیشتر از دی‌اکسید کربن منجر به گرمایش جهانی شده است و فراوان‌ترین ماده در ترکیب گاز طبیعی به شمار می‌آید. همچنین احتراق متان منجر به آزادسازی فراوان دی اکسید کربن به جو می‌شود.

بنابراین یافتن روشی کارآمد برای تبدیل متان به ترکیبات ارزشمند که به کاهش گازهای گلخانه‌ای ختم شود، توجه دانشمندان را به خود جلب کرده است.

استفاده از پلاسمای لیزری در کنار روش متداول تخلیه اسپارک

بر اساس این گزارش از دانشگاه صنعتی امیرکبیر، احمدی بیان کرد: تقاضای هیدروژن در سال ۲۰۲۰ به ۹۰ میلیون تن رسید که عمده آن برای مصارف پالایشی و صنعتی است و به صورت عمده از سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود. تولید این ۹۰ میلیون تن هیدروژن با تولید ۹۰۰ میلیون تن دی‌اکسیدکربن همراه است و سالانه، پالایشگاه‌ها نزدیک به ۴۰ میلیون تن هیدروژن به عنوان ماده اولیه یا به عنوان منبع انرژی مصرف می‌کنند. تقاضا در بخش صنعت تا حدودی بیشتر است (بیش از ۵۰ میلیون تن هیدروژن) که تولیدات شیمیایی حدود ۴۵ میلیون تن از تقاضای هیدروژن را تشکیل می‌دهد و تقریباً سه‌چهارم آن به تولید آمونیاک و یک‌چهارم به متانول اختصاص دارد.

این دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر چهار منبع اصلی تولید تجاری هیدروژن را شامل گاز طبیعی، روغن، زغال سنگ و الکترولیز عنوان کرد و ادامه داد: هر یک از این روش‌ها به ترتیب ۴۸، ۱۸، ۳۰ و ۴ درصد از سهم تولید هیدروژن را از آن خود کرده‌اند. هیدروژن در حجم بالا به صورت ویژه بیشتر از طریق فرآیند اصلاح بخار متان یا گاز طبیعی به دست می‌آید. این روش در حال حاضر ارزان‌ترین روش تولید هیدروژن است. بسته به کیفیت ماده اولیه گاز طبیعی، به ازای تولید هر تن هیدروژن، ۹ تا ۱۲ تن دی اکسید کربن تولید می‌شود.

احمدی هدف نهایی در اقتصاد هیدروژن را یافتن روش‌های اقتصادی با کمترین میزان خسارت به محیط زیست با بیشترین کارایی و بازده در تولید هیدروژن دانست و ادامه داد: این روش که برای اولین بار در جهان پیشنهاد شده نشان داد این فرآیند به طور کارآمد متان را به هیدروژن تبدیل می‌کند و منجر به کمتر شدن تشکیل دوده کربنی در ساختار، کاهش ولتاژ فروشکست و انرژی اعمالی به سیستم جهت تبدیل می‌شود.

وی با اشاره به فرآیند اجرای این تحقیق اظهار کرد: در این روش پیشنهاد شده تا از پلاسمای القایی لیزری در کنار روش متداول تخلیه اسپارک در حضور کاتالیست پالادیم برای افزایش و بهبود کارایی تبدیل متان به هیدروژن استفاده شود. به همین منظور انواع آزمایش‌ها برای بررسی کارایی این سیستم انجام شده که نتایج، بهبود کارایی و افزایش بازده تبدیل را در این سیستم پیشنهادی تایید می‌کند.

احمدی توضیح داد: اسپارک که به آن تخلیه‌ الکتریکی هم گفته می‌شود، روشی است که در آن ابزار و قطعه را در فاصله‌ از هم قرار می‌دهند. سپس گازی میان آنها جریان می‌یابد و جرقه را ایجاد می‌کند. این جرقه عمل تراش را انجام می‌دهد.

نتایج این مطالعات در نشریه بین‌المللی مهندسی شیمی The Chemical Engineering Journal با ضریب تاثیر ۱۵ منتشر شده است. در روش تخلیه اسپارک به همراه پلاسمای القایی لیزری در حضور کاتالیست پالادیم نسبت به روش متداول تخلیه اسپارک تبدیل متان بیش از ۴.۵ برابر افزایش یافته و در نهایت افزایش ۴.۸ برابری تبدیل هیدروژن را در پی داشته است. ولتاژ فروشکست که انرژی اولیه مورد نیاز را تامین می‌کند، در این روش یک چهارم انرژی مورد نیاز در روش سنتی تخلیه اسپارک است.

احمدی بهبود بازده تبدیل متان، افزایش تولید هیدروژن، کاهش موثر انرژی مصرفی، کاهش تولید دوده کربنی، افزایش کارایی کاتالیست، کاهش شدید ولتاژ فروشکست، کاهش خوردگی الکترود و پاک‌سازی لیزری همزمان سطح کاتالیست را از مزایای این روش نام برد.

این تحقیق با همکاری و هدایت دکتر پرویز پروین از اعضای هیات علمی دانشگاه صنعتی امیرکبیر اجرا شده است.