معلومة

هل تنتج العصيات الحلزونية ثاني أكسيد الكربون؟

هل تنتج العصيات الحلزونية ثاني أكسيد الكربون؟



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

هل لا تزال Alicyclobacilli ، وخاصة تلك المنتجة من Guaiacol ، تنتج ثاني أكسيد الكربون؟ Alicyclobacillus spp. هي كائنات فاسدة معروفة في صناعة عصير الفاكهة. من الواضح أنه لا يوجد "تفجير" للعبوة (غالبًا ما ينتج عن إنتاج ثاني أكسيد الكربون) مما يجعل من الصعب اكتشاف التلوث المحتمل بوضوح. وبالتالي فإن السؤال ، هل تنتج العصيات الحلزونية ثاني أكسيد الكربون على الإطلاق؟


Alicyclobacilli هي عصيات هوائية تمامًا ، وبالتالي فهي تمتص الأكسجين وتفرز ثاني أكسيد الكربون ، على عكس الخمائر والعصيات اللاهوائية (الاختيارية) التي تسبب التلف عادةً. لذا نعم ، تنتج العصيات الحلزونية ثاني أكسيد الكربون. لكن لماذا لا تنتفخ العبوة؟ قارن عدد جزيئات الغاز في أبسط تفاعلات الأيض الهوائي واللاهوائي:

التمثيل الغذائي الهوائي: $ C_6H_ {12} O_6 + underline {6 O_2} Rightarrow underline {6 CO_2} + 6 H_2O + 38 ATP $

الأيض اللاهوائي: $ C_6H_ {12} O_6 Rightarrow 2 Ethanol + underline {2 CO_2} + 2 ATP $

تستوعب الأيروبس قدرًا كبيرًا من جزيئات الغاز التي تفرزها ، في حين أن اللاهوائية (تلك التي تنتج الإيثانول على الأقل) تصنع الغاز فقط.


قياس الفروق في إنتاج ثاني أكسيد الكربون

في هذا الاستقصاء ، ستفهم كيف يغير ثاني أكسيد الكربون لون أزرق البرومثيمول ويستخدم تقنية معايرة لقياس كمية ثاني أكسيد الكربون المضافة إلى أزرق البرومثيمول. باستخدام هذه التقنية ، ستتمكن أيضًا من مقارنة كمية ثاني أكسيد الكربون التي ينتجها الشخص في مستويات مختلفة من النشاط البدني.

تقنية المعايرة بالتحليل الحجمي:

الإجراء: استخدم قشة لزفر الهواء في دورق يحتوي على محلول أزرق برومثيمول. عندما يغير المحلول الألوان ، تدرب على تغييره مرة أخرى بإضافة قطرات من هيدروكسيد الصوديوم. كلما زادت الحاجة إلى قطرات هيدروكسيد الصوديوم ، زادت كمية ثاني أكسيد الكربون في القارورة. مارس هذا الإجراء حتى تشعر بالراحة عند إضافة هيدروكسيد الصوديوم. (مهم ، تحتاج إلى تحريك القارورة بعد إضافة القطرات لمعرفة ما إذا كان اللون يتغير ، وأحيانًا يتأخر التغيير)

التجربة: اختر أحد الأسئلة التالية المتعلقة بثاني أكسيد الكربون وطبيعة المؤشر - أزرق البرومثيمول.

كيف تتغير كمية ثاني أكسيد الكربون التي يزفرها الشخص نتيجة النشاط البدني؟

هل هناك أي عوامل أخرى قد تؤثر على كمية ثاني أكسيد الكربون في الزفير؟

- فرط التنفس في كيس ورقي
- مضغ العلكة أو النعناع
- أحبس أنفاسك

كمجموعة تقوم بتطوير فرضية وتصميم تجربة لاختبار فرضيتك. يمكنك استخدام واحد أو كل أعضاء مجموعتك كخنازير غينيا. يتم تضمين القليل جدًا من المعلومات هنا فيما يتعلق بكيفية إجراء تجربتك. من المتوقع أن تصمم تجربتك الخاصة ، مع مراعاة الضوابط والمتغيرات. يجب أخذ بيانات كافية لتشكيل استنتاجات.

تجربة التمديد

هل سيتغير اللون إذا تم وضع نبات مائي في محلول مخفف من البرومثيول الأزرق؟ بمعنى آخر ، هل تطلق النباتات أيضًا ثاني أكسيد الكربون؟ (يتطلب نبات حوض السمك ، Anacharis أو ما شابه).


تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الأماكن المغلقة مدفوعة بمزيج من ثاني أكسيد الكربون الخارجي2والتنفس الداخلي ومعدل تهوية المبنى. نظرًا لأن المباني والمنازل أصبحت أكثر كفاءة في استخدام الطاقة ومحكمة الإغلاق ، فهذا يعني أن الهواء النقي لدينا أقل.

تقوم العديد من أنظمة التهوية التي نستخدمها اليوم بإعادة تدوير الهواء للحفاظ على الطاقة ، وتحريك الهواء الملوث بشكل أساسي بدلاً من تدويره في هواء جديد. ينتج عن هذا ارتفاع ثاني أكسيد الكربون2 التركيزات وسوء نوعية الهواء الداخلي.


آثار غازات الاحتباس الحراري

غازات الدفيئة لها تأثيرات بيئية وصحية بعيدة المدى. إنها تسبب تغير المناخ عن طريق حبس الحرارة ، كما أنها تساهم في أمراض الجهاز التنفسي من الضباب الدخاني وتلوث الهواء. الطقس المتطرف ، واضطراب الإمدادات الغذائية ، وزيادة حرائق الغابات هي آثار أخرى لتغير المناخ الناجم عن غازات الدفيئة. ستتغير أنماط الطقس النموذجية التي نتوقعها ، حيث ستختفي بعض الأنواع أو تهاجر أو تنمو أنواع أخرى. (اقرأ المزيد عن تأثيرات غازات الاحتباس الحراري عبر تغير المناخ هنا.)


حمية الغازات

في العمل الأخير ، استخدم ميلو وفريقه مزيجًا من الهندسة الوراثية وتطور المختبر لإنشاء سلالة من بكتريا قولونية يمكنه الحصول على كل الكربون من أول أكسيد الكربون2. أولاً ، أعطوا جينات البكتيريا التي تشفر زوجًا من الإنزيمات التي تسمح للكائنات الحية الضوئية بتحويل ثاني أكسيد الكربون.2 في الكربون العضوي. تدعم النباتات والبكتيريا الزرقاء هذا التحويل بالضوء ، ولكن لم يكن ذلك ممكنًا بكتريا قولونية. وبدلاً من ذلك ، أدخل فريق ميلو جينًا يتيح للبكتيريا الحصول على الطاقة من جزيء عضوي يسمى فورمات.

حتى مع هذه الإضافات ، رفضت البكتيريا مبادلة وجبات السكر الخاصة بها بـ CO2. لمزيد من تعديل السلالة ، قام الباحثون بتربية أجيال متعاقبة من السلالة المعدلة بكتريا قولونية لمدة عام ، بإعطائهم كميات صغيرة فقط من السكر وثاني أكسيد الكربون2 بتركيزات تبلغ حوالي 250 ضعف تلك الموجودة في الغلاف الجوي للأرض. كانوا يأملون في أن تطور البكتيريا طفرات للتكيف مع هذا النظام الغذائي الجديد. بعد حوالي 200 يوم ، ظهرت الخلايا الأولى القادرة على استخدام ثاني أكسيد الكربون2 كمصدر الكربون الوحيد. وبعد 300 يوم ، نمت هذه البكتيريا في ظروف المختبر بشكل أسرع من تلك التي لم تستطع استهلاك ثاني أكسيد الكربون2.

شركة CO2- الأكل ، أو ذاتية التغذية ، بكتريا قولونية لا يزال بإمكان السلالات أن تنمو على السكر - وستستخدم هذا المصدر للوقود بدلاً من ثاني أكسيد الكربون2في ضوء الاختيار ، يقول ميلو. بالمقارنة مع الوضع الطبيعي بكتريا قولونية، والتي يمكن أن تتضاعف في العدد كل 20 دقيقة ، ذاتية التغذية بكتريا قولونية متخلفة ، وتنقسم كل 18 ساعة عند نموها في جو يحتوي على 10٪ من ثاني أكسيد الكربون2. لا يمكنهم العيش بدون سكر على مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي2 - حاليا 0.041٪.

يأمل ميلو وفريقه في جعل البكتيريا تنمو بشكل أسرع وتعيش على مستويات منخفضة من ثاني أكسيد الكربون2. إنهم يحاولون أيضًا فهم كيفية عمل ملف بكتريا قولونية تطورت لأكل ثاني أكسيد الكربون2: يبدو أن التغييرات في 11 جينًا فقط تسمح بالتبديل ، وهم يعملون الآن على تحديد كيفية حدوث ذلك.

يُعد هذا العمل "علامة فارقة" ويظهر قوة هندسة الدمج والتطور لتحسين العمليات الطبيعية ، كما تقول شيريل كيرفيلد ، وهي مهندسة حيوية في جامعة ولاية ميشيغان في شرق لانسينغ ومختبر لورانس بيركلي الوطني في كاليفورنيا.

بالفعل، بكتريا قولونية يستخدم لصنع نسخ تركيبية من مواد كيميائية مفيدة مثل الأنسولين وهرمون النمو البشري. يقول ميلو إن عمل فريقه يمكن أن يوسع المنتجات التي يمكن للبكتيريا أن تصنعها ، لتشمل الوقود المتجدد والطعام والمواد الأخرى. لكنه لا يرى أن هذا سيحدث قريبًا.

يوافق إيرب على ذلك قائلاً: "هذه ورقة إثبات مفهوم". "سيستغرق الأمر عامين حتى نرى هذا الكائن الحي مطبقًا."


تبادل الغاز عند الراحة

الأكسجين وثاني أكسيد الكربون موجودان في الغلاف الجوي. يشكل الأكسجين 20.9٪ من الهواء الذي تتنفسه ، بينما يشكل ثاني أكسيد الكربون 0.03٪. عندما تتنفس ، تقوم بنقل هذه الغازات الأيضية بين الغلاف الجوي ودمك في رئتيك.

ينتقل الأكسجين إلى دمك ، والذي ينقله إلى الأنسجة حيث يحرر الطاقة من الأطعمة التي تناولتها. ينتج عن هذا إنتاج ثاني أكسيد الكربون ، والذي يجب إزالته ، كما يقول المعهد الوطني للقلب والرئة والدم.

في حالة الراحة ، تستهلك 3.5 مل من الأكسجين لكل كيلوغرام من وزن الجسم كل دقيقة لتلبية احتياجات الطاقة. يؤثر نوع الألياف العضلية ومحتوى الجليكوجين وتناول الدهون الغذائية والتدريب ومستقلبات الدم على كمية ثاني أكسيد الكربون التي تنتجها مع استهلاك الأكسجين هذا. أقل كمية 0.7 لتر لكل لتر أكسجين إذا تم حرق الدهون حصريًا.


يطور الباحثون بلاستيدات خضراء اصطناعية

يتم تغليف ثايلاكويدات النبات في قطرات صغيرة يبلغ قطرها حوالي 90 ميكرومتر. مجهزة بمجموعة من الإنزيمات ، تقوم البلاستيدات الخضراء شبه الاصطناعية بتثبيت ثاني أكسيد الكربون باستخدام الطاقة الشمسية ، على غرار الطبيعة. الائتمان: معهد ماكس بلانك لعلم الأحياء الدقيقة الأرضية / إيرب

على مدى مليارات السنين ، طورت الكائنات الحية الدقيقة والنباتات العملية الرائعة التي نعرفها باسم التمثيل الضوئي. يحول التمثيل الضوئي طاقة الشمس إلى طاقة كيميائية ، وبالتالي يزود كل أشكال الحياة على الأرض بالغذاء والأكسجين. تعتبر الأجزاء الخلوية التي تحتوي على الآلات الجزيئية ، البلاستيدات الخضراء ، من أهم المحركات الطبيعية على وجه الأرض. يعتبر العديد من العلماء أن إعادة البناء والتحكم في عملية التمثيل الضوئي بشكل مصطنع هو "مشروع أبولو في عصرنا". قد يعني ذلك القدرة على إنتاج طاقة نظيفة - وقود نظيف ، ومركبات كربون نظيفة مثل المضادات الحيوية ، ومنتجات أخرى من الضوء وثاني أكسيد الكربون.

ولكن كيف نبني خلية حية ضوئية من الصفر؟ المفتاح لتقليد عمليات الخلية الحية هو جعل مكوناتها تعمل معًا في الوقت والمكان المناسبين. في جمعية ماكس بلانك ، يتم السعي لتحقيق هذا الهدف الطموح في مبادرة متعددة التخصصات متعددة المعامل ، وهي شبكة MaxSynBio. الآن نجح فريق بحث ماربورغ بقيادة المخرج توبياس إيرب في إنشاء منصة للبناء الآلي للمقصورات النشطة ضوئيًا بحجم الخلية ، "البلاستيدات الخضراء الاصطناعية" ، القادرة على التقاط غاز ثاني أكسيد الكربون وتحويله باستخدام الضوء.

الموائع الدقيقة تلتقي مع البيولوجيا التركيبية

استخدم باحثو ماكس بلانك تطورين تقنيين حديثين: الأول علم الأحياء التركيبي لتصميم وبناء أنظمة بيولوجية جديدة ، مثل شبكات التفاعل لالتقاط وتحويل ثاني أكسيد الكربون ، والموائع الدقيقة الثانية ، لتجميع المواد اللينة ، مثل كقطيرات بحجم الخلية.

يوضح Tobias Erb: "احتجنا أولاً إلى وحدة طاقة تسمح لنا بتشغيل التفاعلات الكيميائية بطريقة مستدامة. في عملية التمثيل الضوئي ، توفر أغشية البلاستيدات الخضراء الطاقة اللازمة لتثبيت ثاني أكسيد الكربون ، وخططنا لاستغلال هذه القدرة".

إنتاج القطيرات الدقيقة والمراقبة في الوقت الفعلي على منصة ميكروفلويديك. يتم جمع القطرات الدقيقة في غرفة حيث يمكن مراقبة نشاطها مجهريًا في الوقت الفعلي ، بما في ذلك قياس النشاط الأنزيمي عن طريق قياس مضان NADPH. باستخدام الحقل المشرق ، توجد القطرات ويمكن رؤية الأغشية النشطة ضوئيًا. تكون هذه الأغشية متألقة عند الإثارة. يتم تمييز مجموعات القطيرات باستخدام صبغة الترميز ، والتي يمكن ملاحظتها عندما تكون القطرات متحمسة بطول موجي محدد (550 نانومتر). لوحظ إنتاج NADPH للقطرات باستخدام مضان NADPH (باستخدام 365 نانومتر). الائتمان: معهد بلانك لعلم الأحياء الدقيقة الأرضية / إيرب

أثبت جهاز التمثيل الضوئي المعزول من نبات السبانخ أنه قوي بدرجة كافية بحيث يمكن استخدامه لدفع تفاعلات مفردة وشبكات تفاعل أكثر تعقيدًا مع الضوء. بالنسبة لرد الفعل المظلم ، استخدم الباحثون وحدة التمثيل الغذائي الاصطناعية الخاصة بهم ، وهي دورة CETCH. يتكون من 18 محفزًا حيويًا يقوم بتحويل ثاني أكسيد الكربون بشكل أكثر كفاءة من استقلاب الكربون الذي يحدث بشكل طبيعي في النباتات. بعد عدة جولات من التحسين ، نجح الفريق في التثبيت الخفيف لغازات الاحتباس الحراري2 في المختبر.

التحدي الثاني كان تجميع النظام داخل حجرة محددة على نطاق صغير. بالنظر إلى التطبيقات المستقبلية ، يجب أن يكون من السهل أيضًا أتمتة الإنتاج. بالتعاون مع مختبر Jean-Christophe Baret في Center de Recherché Paul Pascal (CRPP) في فرنسا ، طور الباحثون منصة لتغليف الأغشية شبه الاصطناعية في قطرات تشبه الخلايا.

أكثر كفاءة من عملية التمثيل الضوئي التي تقوم بها الطبيعة

منصة ميكروفلويديك الناتجة قادرة على إنتاج آلاف القطرات المعيارية التي يمكن تجهيزها بشكل فردي وفقًا لقدرات التمثيل الغذائي المرغوبة. قال تارين ميللر ، المؤلف الرئيسي للدراسة: "يمكننا إنتاج آلاف القطيرات المجهزة بشكل متماثل أو يمكننا إعطاء خصائص محددة للقطرات الفردية". "يمكن التحكم في هذه في الزمان والمكان عن طريق الضوء."

على عكس الهندسة الوراثية التقليدية للكائنات الحية ، فإن النهج التصاعدي يقدم مزايا حاسمة: فهو يركز على الحد الأدنى من التصميم ، ولا يرتبط بالضرورة بحدود البيولوجيا الطبيعية. يوضح Tobias Erb: "تتيح لنا المنصة تحقيق حلول جديدة لم تستكشفها الطبيعة أثناء التطور". في رأيه ، النتائج تحمل إمكانات كبيرة للمستقبل. في نشرهم في المجلة علم، تمكن المؤلفون من إثبات أن تجهيز "البلاستيدات الخضراء" بالأنزيمات والتفاعلات الجديدة أدى إلى معدل ارتباط لثاني أكسيد الكربون أسرع 100 مرة من الأساليب البيولوجية الاصطناعية السابقة. "على المدى الطويل ، يمكن تطبيق أنظمة شبيهة بالحياة على جميع المجالات التكنولوجية تقريبًا ، بما في ذلك علوم المواد والتكنولوجيا الحيوية والطب - نحن فقط في بداية هذا التطور المثير." علاوة على ذلك ، تعد النتائج خطوة أخرى نحو التغلب على أحد أكبر تحديات المستقبل: التركيزات المتزايدة لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.


إنتاجية العوالق النباتية

تقليل الكربون

يتضمن التثبيت الصافي للكربون في عملية التمثيل الضوئي دورة من التخفيضات ، يشار إليها بدورة كالفين ، في بلاستيدات الخلايا الطحلبية أو في سيتوبلازم البكتيريا الزرقاء. في قلب هذه الدورة يوجد كربوكسيل ريبولوز 1،5-بيفوسفات (RuBP) محفزًا بواسطة إنزيم RUBISCO ، وهو إنزيم أحادي الخلية موجود في شكلين. تم العثور على إنزيم النموذج الأول في البكتيريا الزرقاء وجميع حقيقيات النوى ، باستثناء بعض Dinophyta المحتوية على بيريدينين والتي تحتوي على إنزيم النموذج II. نشاط الإنزيم منخفض مقارنة بالكربوكسيلازات الأخرى. تمثل RUBISCO جزءًا كبيرًا من الخلية (1-10٪ من كربون الخلية أو حوالي 2-10٪ من البروتين الكلي) ، مع اعتماد الكمية على ظروف الإضاءة المحيطة. في ظل الإشعاع العالي ، يمكن أن يمثل RUBISCO ما يصل إلى خمسة أضعاف كتلة الخلية مثل الكلوروفيل-أ (Raven et al. ، 2012 Bracher et al. ، 2017).

يعد فهم دور RUBISCO في الفيزيولوجيا البيئية للعوالق النباتية أمرًا ضروريًا لتحديد ما إذا كان RUBISCO أو PET يحدان من التمثيل الضوئي المشبع بالضوء ولتقدير تركيز ثاني أكسيد الكربون2 اللازمة لدعم معدل معين من التمثيل الضوئي. هذا له آثار على تقييم تثبيط تثبيت الكربون بالأكسجين ودور ثاني أكسيد الكربون2- آلية التركيز. يتم تنظيم نشاط الإنزيم في الجسم الحي من خلال العديد من الآليات والعوامل الخارجية التي تمت دراستها بشكل أفضل في النباتات الخضراء والبكتيريا الزرقاء. تحت الضوء الخافت و / أو ثاني أكسيد الكربون المنخفض2، RuBP مشبع ومعدل ثاني أكسيد الكربون2 التثبيت مقيد بنشاط RUBISCO. ومع ذلك ، في ظل ظروف الإضاءة العالية و / أو ثاني أكسيد الكربون المرتفع2، تثبيت الكربون مقيد بتجديد RuBP ، وهي عملية تعرف باسم تحديد الحوض.


تقنية جديدة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون يمكن أن تقلل من غازات الاحتباس الحراري في محطات توليد الطاقة

الهياكل المعدنية العضوية شديدة المسامية ، مما يجعلها مثالية لامتصاص الغازات والسوائل. يُظهر هذا الرسم الجزء الداخلي من الأطر العضوية المعدنية استنادًا إلى المغنيسيوم المعدني (الكرات الخضراء) ، وقد أضاف جزيئات - رباعي أمين (أزرق ورمادي) - تمت إضافتها إلى المسام لامتصاص ثاني أكسيد الكربون بكفاءة أكبر من انبعاثات محطات الطاقة. (رسم جامعة كاليفورنيا في بيركلي بواسطة يوجين كيم)

يمكن للتقدم الكبير في تكنولوجيا احتجاز الكربون أن يوفر طريقة فعالة وغير مكلفة لمحطات توليد الطاقة بالغاز الطبيعي لإزالة ثاني أكسيد الكربون من انبعاثات المداخن ، وهي خطوة ضرورية في تقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري لإبطاء الاحتباس الحراري وتغير المناخ.

تم تطوير هذه التقنية الجديدة من قبل باحثين في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، ومختبر لورانس بيركلي الوطني وإكسون موبيل ، وهي تستخدم مادة مسامية للغاية تسمى الإطار المعدني العضوي ، أو MOF ، معدلة بجزيئات أمين تحتوي على النيتروجين لالتقاط ثاني أكسيد الكربون.2 وبخار بدرجة حرارة منخفضة لطرد ثاني أكسيد الكربون2 لاستخدامات أخرى أو لعزله تحت الأرض.

في التجارب ، أظهرت التقنية قدرة أكبر بست مرات على إزالة ثاني أكسيد الكربون2 من غاز المداخن أكثر من التكنولوجيا الحالية القائمة على الأمين ، وكانت انتقائية للغاية ، حيث تلتقط أكثر من 90 ٪ من ثاني أكسيد الكربون2 المنبعثة. تستخدم العملية بخارًا منخفض الحرارة لتجديد الأطر العضوية المعدنية للاستخدام المتكرر ، مما يعني أن الطاقة اللازمة لالتقاط الكربون أقل.

”لشركة CO2 الالتقاط ، وإزالة البخار - حيث تستخدم التلامس المباشر مع البخار لخلع ثاني أكسيد الكربون2 - لقد كان نوعًا من الكأس المقدسة للحقل. قال كبير الباحثين جيفري لونج ، أستاذ الكيمياء والهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية بجامعة كاليفورنيا في بيركلي وكبير علماء هيئة التدريس في مختبر بيركلي ، "يُنظر إليه بحق على أنه أرخص طريقة للقيام بذلك". "هذه المواد ، على الأقل من التجارب التي أجريناها حتى الآن ، تبدو واعدة جدًا."

نظرًا لوجود سوق صغير لمعظم ثاني أكسيد الكربون الذي يتم التقاطه2، من المحتمل أن تضخ محطات الطاقة معظمها مرة أخرى في الأرض ، أو تعزلها ، حيث ستتحول بشكل مثالي إلى صخور. يجب تسهيل تكلفة تنقية الانبعاثات من خلال السياسات الحكومية ، مثل تجارة الكربون أو ضريبة الكربون ، لتحفيز ثاني أكسيد الكربون2 الالتقاط والعزل ، وهو أمر نفذته العديد من البلدان بالفعل.

تم تمويل العمل من قبل شركة ExxonMobil ، التي تعمل مع كل من مجموعة Berkeley وشركة Mosaic Materials Inc.2 من الانبعاثات.

لونج هو المؤلف الرئيسي لورقة بحثية تصف التقنية الجديدة التي ستظهر في عدد 24 يوليو من المجلة علم.

يوضح التركيب الذري لمسام واحد في الإطار المعدني كيف ترتبط جزيئات ثاني أكسيد الكربون (الكرات الرمادية والحمراء) بالتتراامين (الكرات الزرقاء والبيضاء) ، مما يؤدي إلى بناء بوليمر ثاني أكسيد الكربون يخترق المسام. يمكن للبخار ذي درجة الحرارة المنخفضة أن يزيل ثاني أكسيد الكربون من أجل عزله ، مما يسمح بإعادة استخدام الأطر العضوية المعدنية لالتقاط المزيد من الكربون من انبعاثات محطات الطاقة. (رسم جامعة كاليفورنيا في بيركلي بواسطة يوجين كيم)

"تمكنا من أخذ الاكتشاف الأولي ، ومن خلال البحث والاختبار ، استخرجنا مادة أظهرت في التجارب المعملية إمكانية ليس فقط لالتقاط ثاني أكسيد الكربون2 في ظل الظروف القاسية الموجودة في انبعاثات غاز المداخن من محطات توليد الطاقة بالغاز الطبيعي ، ولكن للقيام بذلك دون خسارة في الانتقائية ، قال المؤلف المشارك سيمون ويستون ، باحث أول ورئيس المشروع في شركة ExxonMobil Research and Engineering Co. "لدينا أظهر أن هذه المواد الجديدة يمكن إعادة توليدها بعد ذلك باستخدام بخار منخفض الدرجة للاستخدام المتكرر ، مما يوفر مسارًا لحل قابل للتطبيق لالتقاط الكربون على نطاق واسع. "

تمثل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من المركبات التي تعمل بالوقود الأحفوري ومحطات توليد الكهرباء والصناعة ما يقدر بنحو 65٪ من غازات الاحتباس الحراري التي تؤدي إلى تغير المناخ ، مما أدى بالفعل إلى زيادة متوسط ​​درجة حرارة الأرض بمقدار 1.8 درجة فهرنهايت (1 درجة مئوية) منذ القرن التاسع عشر. . بدون انخفاض في هذه الانبعاثات ، يتوقع علماء المناخ درجات حرارة أعلى من أي وقت مضى ، والمزيد من العواصف المتقطعة والعنيفة ، وارتفاع عدة أقدام في مستوى سطح البحر وما ينتج عن ذلك من موجات الجفاف والفيضانات والحرائق والمجاعات والصراعات.

"في الواقع ، من بين أنواع الأشياء التي تقول الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ أنه يتعين علينا القيام بها للسيطرة على ظاهرة الاحتباس الحراري ، فإن ثاني أكسيد الكربون2 قال لونغ: "القبض على جزء كبير". "ليس لدينا استخدام لمعظم ثاني أكسيد الكربون2 أننا بحاجة إلى التوقف عن الانبعاث ، ولكن علينا أن نفعل ذلك ".

تجريد

شركة قطاع محطات توليد الكهرباء2 من انبعاثات المداخن اليوم عن طريق فقاعات غازات المداخن من خلال الأمينات العضوية في الماء ، والتي تربط ثاني أكسيد الكربون وتستخرجه. ثم يتم تسخين السائل إلى 120-150 درجة مئوية (250-300 فهرنهايت) لتحرير ثاني أكسيد الكربون2 الغاز ، وبعد ذلك يتم إعادة استخدام السوائل. العملية بأكملها تستهلك حوالي 30٪ من الطاقة المولدة. عزل ثاني أكسيد الكربون المأسور2 تحت الأرض يكلف جزءًا إضافيًا ، وإن كان صغيرًا ، من ذلك.

محطة لتوليد الكهرباء تعمل بالغاز الطبيعي. يمكن لتقنية جديدة التقاط ثاني أكسيد الكربون من الانبعاثات من مثل هذه النباتات من أجل عزله تحت الأرض وتقليل غازات الدفيئة المسؤولة عن تغير المناخ. (حقوق الصورة لوكالة الطاقة الدولية)

قبل ست سنوات ، اكتشف لونج ومجموعته في مركز فصل الغاز في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، والذي تموله وزارة الطاقة الأمريكية ، وزارة المالية المعدلة كيميائيًا والتي تلتقط ثاني أكسيد الكربون بسهولة.2 من انبعاثات مداخن محطات توليد الطاقة المركزة ، مما يقلل من تكلفة الالتقاط بمقدار النصف. أضافوا جزيئات ثنائي الأمين إلى الأطر العضوية المعدنية القائمة على المغنيسيوم لتحفيز تكوين سلاسل البوليمر من ثاني أكسيد الكربون2 يمكن بعد ذلك تطهيرها عن طريق التنظيف بتيار رطب من ثاني أكسيد الكربون.

نظرًا لأن الأطر العضوية المعدنية مسامية جدًا ، في هذه الحالة مثل قرص العسل ، فإن مقدار وزن مشبك الورق له مساحة سطح داخلية مساوية لمساحة ملعب كرة القدم ، وكلها متاحة لامتصاص الغازات.

من المزايا الرئيسية للأطر العضوية المعدنية الملحقة بالأمين أنه يمكن تعديل الأمينات لالتقاط ثاني أكسيد الكربون2 بتركيزات مختلفة ، تتراوح من 12٪ إلى 15٪ نموذجية لانبعاثات محطات الفحم إلى 4٪ نموذجية لمحطات الغاز الطبيعي ، أو حتى التركيزات الأقل بكثير في الهواء المحيط. تم إنشاء Mosaic Materials ، التي شاركت Long في تأسيسها وتوجيهها ، لإتاحة هذه التقنية على نطاق واسع لمحطات الطاقة والمصانع.

لكن تيار 180 درجة مئوية من الماء وثاني أكسيد الكربون2 اللازمة لغسل ثاني أكسيد الكربون الذي تم التقاطه2 يؤدي في النهاية إلى التخلص من جزيئات ثنائي الأمين ، مما يؤدي إلى تقصير عمر المادة. يستخدم الإصدار الجديد أربعة جزيئات أمين - رباعي أمين - يكون أكثر استقرارًا في درجات الحرارة العالية وفي وجود البخار.

"تترابط رباعي الأمين بقوة داخل الإطار المعدني بحيث يمكننا استخدام تيار شديد التركيز من بخار الماء بدون ثاني أكسيد الكربون2، وإذا جربت ذلك مع الممتزات السابقة ، فإن البخار سيبدأ في تدمير المادة ، "قال لونج.

أظهروا أن الاتصال المباشر بالبخار عند 110-120 درجة مئوية - أعلى قليلاً من نقطة غليان الماء - يعمل جيدًا لطرد ثاني أكسيد الكربون2. يتوفر البخار عند درجة الحرارة هذه بسهولة في محطات توليد الطاقة بالغاز الطبيعي ، في حين أن 180 درجة مئوية من ثاني أكسيد الكربون2- مزيج الماء المطلوب لتجديد الأطر العضوية المعدنية المعدلة سابقًا استلزم تسخينًا ، مما يهدر الطاقة.

عندما فكر لونج ، ويستون وزملاؤهم لأول مرة في استبدال ديامينس برباعي أمين أقوى ، بدا الأمر وكأنه لقطة طويلة. لكن الهياكل البلورية للأطر العضوية المعدنية المحتوية على ثنائي أمين اقترحت أنه يمكن أن تكون هناك طرق لربط اثنين من ثنائي أمين لتكوين رباعي الأمين مع الحفاظ على قدرة المادة على بلمرة ثاني أكسيد الكربون.2. عندما قام طالب الدراسات العليا بجامعة كاليفورنيا في بيركلي ، يوجين كيم ، المؤلف الأول للورقة البحثية ، بإنشاء MOF المُلحق بالتيتراامين كيميائيًا ، فقد تفوق في الأداء على MOF الملحق بالديامين في المحاولة الأولى.

درس الباحثون بعد ذلك بنية الإطار المعدني المعدّل باستخدام مصدر الضوء المتقدم لمختبر بيركلي ، وكشفوا عن ثاني أكسيد الكربون2 البوليمرات التي تبطن مسام الأطر العضوية المعدنية مرتبطة فعليًا بالتيتراامين ، مثل السلم مع التيتراامين كدرجات. أكدت حسابات نظرية الكثافة الوظيفية للمبادئ الأولى باستخدام الكمبيوتر الفائق Cori في مختبر بيركلي ومركز الحوسبة العلمية لأبحاث الطاقة (NERSC) # 8217s ، والموارد الحاسوبية في المسبك الجزيئي والموارد التي يوفرها برنامج بيركلي للحوسبة البحثية بالحرم الجامعي ، هذا الهيكل الرائع الذي امتلكه فريق لونج في البداية.

قال لونج: "لقد أجريت بحثًا في Cal منذ 23 عامًا ، وهذه واحدة من تلك الأوقات التي لديك فيها ما بدا وكأنه فكرة مجنونة ، وقد نجحت على الفور".

المؤلفون المشاركون مع Long و Kim و Weston هم جوزيف فالكوسكي من ExxonMobil Rebecca Siegelman و Henry Jiang و Alexander Forse و Jeffrey Martell و Phillip Milner و Jeffrey Reimer و Jeffrey Neaton من UC Berkeley و Jung-Hoon Lee من Berkeley Lab. Neaton و Reimer هما أيضًا من كبار العلماء في هيئة التدريس في Berkeley Lab.


هل تنتج العصيات الحلزونية ثاني أكسيد الكربون؟ - مادة الاحياء

نعم ، من خلال زيادة وفرة غازات الدفيئة في الغلاف الجوي ، تعمل الأنشطة البشرية على تضخيم تأثير الاحتباس الحراري الطبيعي للأرض. يتفق جميع علماء المناخ تقريبًا على أن هذه الزيادة في الغازات المسببة للاحتباس الحراري هي السبب الرئيسي لارتفاع متوسط ​​درجة الحرارة العالمية 1.8 درجة فهرنهايت (1.0 درجة مئوية) منذ أواخر القرن التاسع عشر. ثاني أكسيد الكربون والميثان وأكسيد النيتروز والأوزون ومختلف مركبات الكلوروفلوروكربونات كلها غازات تنبعث من الإنسان للاحتباس الحراري. من بين هؤلاء ، يعتبر ثاني أكسيد الكربون مصدر قلق كبير للعلماء لأنه يمارس تأثيرًا احتباسًا عامًا أكبر من الغازات الأخرى مجتمعة.


يتدفق البخار من محطة توليد الكهرباء Intermountain في دلتا ، يوتا. يتم تشغيل هذه المحطة التي تعمل بالفحم من قبل وزارة المياه والطاقة في لوس أنجلوس. رخصة Photo CC بواسطة Matt Hintsa.

في الوقت الحاضر ، يضع البشر ما يقدر بنحو 9.5 مليار طن متري من الكربون في الغلاف الجوي كل عام عن طريق حرق الوقود الأحفوري ، و 1.5 مليار طن آخر من خلال إزالة الغابات والتغيرات الأخرى في الغطاء الأرضي. من هذا الكربون الذي ينتجه الإنسان ، تمتص الغابات والنباتات الأخرى حوالي 3.2 مليار طن متري سنويًا ، بينما يمتص المحيط حوالي 2.5 مليار طن متري سنويًا. يبقى صافي 5 مليارات طن متري من الكربون الناتج عن الإنسان في الغلاف الجوي كل عام ، مما يرفع المتوسط ​​العالمي لتركيزات ثاني أكسيد الكربون بنحو 2.3 جزء في المليون سنويًا. منذ عام 1750 ، زاد البشر من وفرة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بنحو 50 في المائة. يتعلم أكثر.


شاهد الفيديو: تقنية العلاج بغاز ثاني أكسيد الكربون (أغسطس 2022).