تبدیل زباله به گرافین با روشی نوین

به گزارش  فیز، دانشمندان دانشگاه رایس اخیرا با کمک "جیمز تور" (James Tour) شیمی‌دان این دانشگاه و "روزبه شهسواری"، استادیار دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست و علوم مواد و فناوری نانو دانشگاه رایس و رئیس شرکت فناوری‌های" C-Crete "موفق به تبدیل مقادیر زیادی از هر منبع 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 بتن 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 کربن است. این ماده تشکیل‌شده از یک ساختار بلوری لانه زنبوری دوبعدی است که در آن هر اتم کربن به کمک سه الکترون ظرفیت خود، با سه پیوند SP2 هیبریدیزه شده به سه اتم کربن دیگر متصل شده‌است. یک الکترون ظرفیت باقی‌مانده نیز بر روی کل 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 درصد 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 کربن، 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 کربن تا ۳ هزار درجه کلوین (حدود ۵ هزار درجه فارنهایت) ساخته می‌شود. مواد منبع تقریبا می‌تواند هر مواد حاوی کربن باشد. به گفته "تور"، پسماندهای غذایی، زباله‌های پلاستیکی، کک نفتی، زغال سنگ، الوار و بیوچار بهترین گزینه برای تبدیل به گرافین هستند.
کک نفتی (Petroleum coke) ماده جامد نهایی کربن است که از فرایند پالایش نفت حاصل می‌شود و گروهی از سوخت‌ها بشمار می‌آید که به عنوان کک‌ها شناخته می‌شوند. کک نفتی به‌طور خاص از یک فرایند نهایی کراکینگ حاصل می‌شود که از فرایندهای مهندسی شیمی بشمار می‌آید و هیدروکربن‌های زنجیره‌ای نفت را در بخشی به نام واحد کوکر، به زنجیره‌های کوتاه‌تر تقسیم می‌کند. کک نفتی به همراه 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 دلار در هر تن است، انجام این کار می‌تواند بسیار عالی و ارزشمند باشد.غلظت تقریباً ۰.۱ درصد فلش گرافن در سیمانی که برای اتصال بتن استفاده می‌شود، می‌تواند تأثیر محیطی عظیم آن را تا یک سوم کاهش دهد. طبق گفته‌ها تولید سیمان به اندازه ۸ درصد دی اکسید کربن منتشر شده توسط انسان‌ها در هر سال است."تور" در ادامه افزود: با تقویت بتن با گرافین، می‌توان از بتن کمتری برای ساخت و ساز استفاده کرد و هزینه این روش نیز کمتر است. ما گازهای گلخانه‌ای مانند دی اکسید کربن و متان را که پسماندهای غذایی ممکن است در گورستان پسماند شهری تولید کنند را به دام می‌اندازیم. ما آن دسته از کربن‌ها را به گرافین تبدیل می‌کنیم و گرافین را به بتن اضافه می‌کنیم و بدین ترتیب میزان دی اکسید کربن تولید شده در ساخت بتن کاهش می‌یابد. این یک سناریو است که توسط گرافین می‌توانیم از محیط زیستمان محافظت کنیم."روزبه شهسواری" یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: تبدیل زباله به گنج (گرافین) برای اقتصاد دورانی بسیار مهم است. در این آزمایش، گرافین هم به عنوان یک قالب یا الگوی ۲ بعدی و هم یک عامل تقویت کننده عمل می‌کند که هیدراتاسیون سیمان 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 کربن را به صفر برسانند. به گفته "تور"، فرایند گرافن فلش می‌تواند کربن 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 کربن 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 شیمیایی است که قبلاً برای ساختن گرافین از آنها استفاده می‌کردیم؛ اما در فرآیند فلاش گرما در ماده کربن 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.وی گفت: ما اساساً روند زمین‌شناسی آهسته‌ای را که کربن 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.