تحويل الغاز إلى وقود باستخدام سبائك أفضل

التقدم التكنولوجي في التنقيب عن النفط والغاز جيدا خلال العقد الماضي يسمح الآن لإنتاج الغاز الطبيعي من الغاز الصخري المحبوس في التكوينات الصخرية تحت الأرض. مع الزيادة المفاجئة في توافر الغاز الصخري ، استعاد العلماء اهتمامهم بتنشيط الكربون - الهيدروجين (C – H) ، عملية تكسير الروابط C-H من الغازات مثل الميثان لتكوين سلاسل من الهيدروكربونات التي يمكن استخدامها كوقود .


لكن العلماء بعيدون كل البعد عن إهمال هذه الأنواع من الوقود من الغاز الصخري ، حيث إن معظم المحفزات لتفعيل C-H تفصل الكثير من ذرات الهيدروجين ، تاركة وراءها مادة كربونية غير مرغوب فيها تسمى فحم الكوك.

ورغبة من سبيكة معدنية تعمل كمحفز لتفعيل C – H بينما تبقى مقاومة لمقاومة فحم الكوك ، قام فريق بقيادة Charles Sykes في جامعة Tufts بتصميم سبيكة مصنوعة من البلاتين المعدني التفاعلي ونحاس معدني خامل. في سلسلة من التجارب المعملية ، نظر فريق سايكس إلى النحاس النقي ، والبلاتيني النقي ، وسبائك ذرة أحادية من النحاس والبلاتين (SAA) لتحديد تفاعلات كل مادة مع الهيدروكربونات المشتقة من الميثان ، وهي جزيئات موجودة بشكل طبيعي في الغاز الصخري. واكتشف الفريق أن مادة SAA المصنوعة من البلاتين والنحاس مقاومة للكوك.

بعد هذا الاكتشاف ، استخدمت مجموعة الحوسبة الحسابية المتعددة العلوم وعلوم المواد التي يقودها ميخائيل ستاماتاكيس في كلية لندن الجامعية ، موارد الحوسبة عالية الأداء في مرفق Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) من أجل كشف تفاصيل التجارب عن طريق المحاكاة. قام ماثيو داربي ، وهو ما بعد الدكتوراة في ذلك الوقت وهو حاصل الآن على جائزة الدكتوراه في مجال الهندسة والعلوم الفيزيائية في المملكة المتحدة التي تعمل في مجموعة Stamatakis ، بإجراء الحسابات الخاصة بالمشروع.

ووجد داربي أنه في درجات الحرارة المنخفضة ، يزيل البلاتين بسرعة الهيدروجين من الميثان ، مما يؤدي إلى تكوين رواسب الكربون. النحاس غير قادر على كسر روابط C-H باستثناء درجات الحرارة المرتفعة. ومع ذلك ، وجد أن سبيكة النحاس والبلاتين في الفريق قادرة على تكسير روابط C – H بكفاءة في درجات الحرارة المتوسطة دون تشكيل فحم الكوك. مثل النحاس النقي ، كانت السبيكة قادرة أيضاً على تشكيل سلاسل من اثنين وثلاث جزيئات من الميثان - ويمكن أن تحقق ذلك عند درجة حرارة أكثر من 100 درجة مئوية أكثر برودة مما يتطلبه النحاس.

وقال داربي "هذه الحسابات مكلفة للغاية من الناحية الحسابية. بالنسبة للبعض ، إذا قمت بتشغيلها على حاسوبك المحمول ، فقد يستغرق الأمر عدة أشهر لتشغيل عملية حسابية واحدة". "في OLCF ، يمكن أن يستغرق الأمر يومًا أو يومين لأن لديك مئات من النوى للعمل بها".

أجهزة الكمبيوتر العملاقة القوية في OLCF ، وهو مرفق لمستخدمي العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية يقع في مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة ، ويحل المشاكل العلمية المعقدة في مجالات الطاقة والمواد والكيمياء والعديد من المجالات العلمية الأخرى. تشرح نتائج عمليات محاكاة الفريق تفاعلات البلاتين والنحاس مع الميثان وتوفر محفزًا مقاومًا لفحم الكوك.

وبتسلح هذه المعرفة الجديدة ، ابتكر التجريبيون في شركة Tufts نسخة مصغرة من أداء مصنع كيميائي حقيقي لاكتساب المزيد من الأفكار حول العملية. يوضح المشروع أنه يمكن استخدام النظرية لتحسين التجارب من خلال توفير الفهم الأساسي ، مما يهيئ المسرح لعمل تجريبي أوسع نطاقاً.

مشكلة فحم الكوك

وتشمل أنواع الوقود الشائعة التي توجد كسلسلة من جزيئات الهيدروكربون البروبان ، الذي يستخدم عادة في أفران للحرارة ، والبيوتان ، السائل الموجود في معظم الولاعات. باستخدام التنشيط C – H ، يمكن للعلماء تنشيط التفاعلات داخل أبسط هيدروكربون - ميثان - وبالتالي تشجيع هذه الجزيئات على الارتباط معًا لتكوين أنواع وقود مفيدة. بما أن التكوينات الصخرية وفيرة ومصادر الهيدروكربونات الأطول (مثل النفط الخام) آخذة في الانخفاض ، فإن العلماء يبحثون عن طرق لتحويل الميتان بطريقة تحليلية إلى هذه الأنواع من الوقود.

وتعتبر معادن الانتقال مثل البلاتين والنيكل عوامل حفازة فعالة ، ولكنها تتسبب أيضًا في تكوين كميات كبيرة من رواسب فحم الكوك المسدود. هذه الطبقة من الكربون تغطي الجزء العلوي من المعدن ، مما يجعل جزيئات الميثان المتبقية غير قادرة على التفاعل مع بقية المواد المعدنية.

وقال داربي "الكوك مشكلة كبيرة في الكيمياء الصناعية". "بمجرد أن يتم ترسيبه ، عليك إخراج المعدن من المفاعل وتنظيفه وإعادة تشغيله. وهذا يشمل إما إغلاق مصنع الكيماويات العملاقة أو تسخين المعدن إلى درجات حرارة عالية بشكل خطير."
تقتصر القدرة على الحد من قدرتها على التخلص السريع من الهيدروجين بعيدًا عن الميثان والبلاتين والنيكل في صنع الهيدروكربونات الأطول سلسلة بسبب التكويك. وقد سعى العلماء مؤخرا إلى إنتاج سبائك مصنوعة من معدن نشط مثل البلاتين أو النيكل ومعدن خامل مثل النحاس أو الفضة. ولكن حتى مع وجود هذه الأنواع من السبائك ، فإن الكوك لا يزال يمثل مشكلة.

طور فريق سايكس رواية SAA جديدة أو ذرة أحادية ، مع ذرة واحدة فقط من البلاتين لكل 100 ذرة من النحاس ، لمكافحة الكوك. تم عزل ذرات البلاتين في الطبقة السطحية من المعدن لضمان أنها لن تتفاعل بشكل كبير. وأظهرت التجارب أن ذرات البلاتين المفردة في النحاس لا تزال تتفاعل لكسر روابط C-H ولكن ليس إلى الحد الذي يتم فيه تكوين فحم الكوك.

ثم قام داربي بمحاكاة البلاتين النقي ، والنحاس النقي ، و SAA لتحديد أي من الأسطح الثلاثة التي تربط ذرة الكربون بها بقوة أكبر. كرر هذه العملية مع الكربون المستعبدين إلى واحد ، اثنان ، ثلاثة ، وأربعة هيدروجين بالإضافة إلى ذرات الهيدروجين من تلقاء نفسها. ووجد أن هذه الجزيئات ترتبط بالنحاس مع تقارب أعلى من البلاتين ، وهناك حاجة إلى المزيد من الطاقة للنحاس لكسر روابط C-H. النتائج هي المفتاح لتفسير لماذا النحاس هو محفز غير فعال.

وقال داربي "يمكن للبلاتين أن يكسر روابط C – H أسرع ملايين المرات من النحاس ، وأن السبائك في مكان ما بينهما." "قبل هذا الإجراء ، لم يتمكن الناس من الحصول على جزيئين أو ثلاثة جزيئات ميثان مرتبطة ببعضها البعض في درجات حرارة منخفضة دون إلغاء تنشيط المعدن. لقد أظهرنا أنه يمكننا الحصول على ما يصل إلى ثلاثة جزيئات."

هذا الاكتشاف مهم لأنه لم يكن هناك من قبل سبيكة يمكن أن تكسر بفعالية روابط C-H وتبقى مقاومة لفحم الكوك.

وقال داربي "يثبت اتفاقنا العسكري أن الحل لهذه المشكلة ممكن." "آمل أن يساعد هذا على تحفيز مجتمع الكيمياء لتجربة المزيد من تركيبات SAA ومعرفة ما إذا كان بإمكاننا في الواقع العثور على السبائك التي ستكون مثالية لذلك."

جزيئات ذرة الحجم

تم إجراء عمليات المحاكاة على موارد OLCF باستخدام حزمة المحاكاة المبتكرة (VASP) في فيينا ، وهي شفرة مصممة لنمذجة المواد على النطاق الذري. VASP هو الأكثر شيوعًا من نوعه وهو مصمم تمامًا للاستخدام على أجهزة الكمبيوتر المتوازية عالية الأداء مثل تلك الموجودة في OLCF.

وقال داربي: "نحن نمثل أشياء على مستوى الذرة". "لقد صممنا مائة جزيئة بحجم ذرة: المحفز وجزيئات الميثان. ثم قمنا بحساب كمية الطاقة اللازمة لتحويل الميثان إلى شيء آخر."

بمقارنة هذه الحسابات ببعضها البعض ، تمكن داربي من شرح النتائج التجريبية. من خلال إعادة إنتاج كل شيء في التجربة ، يمكن أن يرى الفريق وصولًا إلى مستوى الذرة ومحاكاة عدد المرات التي يمكن أن تنكسر فيها الروابط المحددة - وهو أمر مستحيل حسابه في تجربة ما.

ويأمل الفريق في أن تتمكن إحدى السبائك يومًا ما من ربط ما يصل إلى ثمانية ميثان (مركب أوكتان) ، والذي يمكن استخدامه بعد ذلك لتزويد السيارات بالوقود. ستسمح نتائج المشروع والعمل المستمر لمجموعة Stamatakis للمتخصصين التجريبيين بالتركيز على أهم أنظمة السبائك بدلاً من اختبار الأنظمة العشوائية.


وقال داربي "مع التجربة ، معظمها تجربة وخطأ". "تقدم لنا المحاكاة خريطة طريق".

اعداد وترجمة/ فادي طارق 

المصدر