תַקצִיר
קשה להאמין כי הרכבים המשמשים אותנו כיום מסוגלים לזהם את הסביבה אפילו כשאינם פועלים. הסיבה לכך היא דליפת דלק (בנזין) שמתאדה ממְכַל הדלק של הרכב אל האטמוספרה. כדי להימנע מדליפה כזו, בנזין שהתאדה מוזרם אל מְכָל (קָנִיסְטֶר) מלא חלקיקי פחם הנקראים פחמן פעיל. בתוך הפחמן הפעיל ישנם חללים עמוקים, דמויי-תעלה, שבהם מולקולות הבנזין נאגרות. סְפִיחָה היא תהליך שבו מולקולות של גז או נוזל נדבקות לפני השטח של משהו מוצק. דרך ספיחה ניתן להסיר מגוון מזהמים מאוויר וממים. לצורך הֲבָנַת מנגנון הספיחה על ידי פחמן פעיל, דַּמְיְנוּ חומר זה בתור מבוך שכולא חלקיקי דלק, ואינו מאפשר להם לברוח. במסגרת המאמר נפרט גם לגבי ניסיונות עכשוויים לפתח חומרי ספיחה חדשים מתוצרי פסולת של תעשייה אחרת, במטרה לשפר את הפחמן הפעיל אשר משמש כיום ברכבים.
מדוע בנזין מנסה 'לברוח' מרכבים?
אנו יודעים כי רכבים מזהמים כשמנועיהם פועלים. זיהום זה הוא תוצר של גזי חממה הנפלטים דרך צינור הפליטה של הרכב. ברכבים ישָׁנים יותר, פליטות אלה לעיתים קרובות נראות כמו ערפל שחור. אך האם ידעתם כי רכבים מסוגלים לזהם אפילו כשאינם פועלים? הסיבה לכך היא שהבנזין המאוחסן במכל הדלק יכול 'לברוח' מהרכב ישירות לסביבה, ולזהם את האטמוספרה.
ביום חם, שכיח למדי להריח ריח דלק ליד רכב חונה. הסיבה לכך היא שהבנזין הוא נדיף, כלומר מצב הצבירה שלו יכול להשתנות מנוזל לגז אפילו כשאינו בטמפרטורת הרתיחה שלו, ולכן ביכולתו לעבור לאוויר. כאשר טמפרטורת הסביבה עולה, תנועת מולקולות בנזין במכל הדלק של מכונית מתגברת במהרה בכל הכיוונים, ומגדילה את נפחהּ. אם מספיק חם, המולקולות הנדיפות יכולות לרכוש דַּי אנרגיה שתאפשר להם לברוח דרך אטמי מכל הדלק אל הסביבה [1]. בנזין שהתאדה ומצליח לברוח ידוע בתור פליטות אידוי (איור 1).
- איור 1 - הסכנות שבאידוי בנזין.
- אפילו כאשר רכב אינו נוסע, בנזין שמתאדה (Evaporated gasoline) יכול לברוח ממכל הדלק (Fuel tank) אל הסביבה. פליטות אידוי (Evaporative emissions) אלה מכילות מולוקולות שנקראות תרכובות אורגניות נדיפות, אשר עלולות לפגוע בסביבה (Environmental pollution).
בנזין הוא תערובת של מולקולות נדיפות במגוון גדלים וצורות, בעיקר תרכובות של אטומי פחמן (C) ומימן (H). המולקולות הנדיפות ביותר כוללות בּוּטָאן (C4H10) ופֶּנְטָאן (C5H12). נפוץ למצוא בבנזין גם מולקולות בֶּנְזֶן (C6H6) וטוֹלוּאֶן (C7H8) [2]. כל המולקולות האלה נקראות תרכובות אורגניות נדיפוֹת (VOCs), והן מזיקות לבריאות האנושית ותורמות לשינויי אקלים [3]. בפועל, פליטות אידוי של תרכובות אורגניות נדיפות אחראיות למחצית זיהום האטמוספרה עקב פליטות מסוג זה ברחבי העולם.
כדי להימנע מדליפה של מולקולות בנזין נדיפות מהרכב לסביבה, מכל הדלק מחובר להֶתְקֵן המוכר בשם קָנִיסְטֶר, אשר ממוקם בין מכל הדלק למָּנוע (איור 2). הקניסטר תופס את מולקולות הבנזין במבוך של מולקולות פחמן. כדי להסביר כיצד המבוך הזה מוֹנע ממולקולות בנזין לברוח לסביבה, נִפְנֶה לאגדה היוונית המפורסמת של המִּינוֹטָאוּר במבוך, המתארת דבר דומה.
- איור 2 - ניתן להשוות את הספיחה של בנזין שהתאדה על פחמן פעיל למבוך של המִִּינוֹטָאוּר.
- (A) היוונים הגיעו לכרתים כדי לעבור דרך המבוך, עד שנאכלו על ידי המינוטאור (מפלצת ידועה במיתולוגיה היוונית בעלת גוף אדם וראש שׁוֹר). (B) בנזין שהתאדה (CnHn) מוזרם לקניסטר (Canister) שבו המולקולות ''נאבדות'' ועוברות ספיחה, ואז משוחררות כאשר הרכב פועל, כדי להישרף במנוע. (C) ספיחה של מולקולות בנזין מתרחשת על דפנות מַעֲבָר שעשויות פחמן פעיל, אשר מורכב מאטומי פחמן המחוברים זה לזה ליצירת יריעות של גְּרָפֶן.
כיצד קניסטר דומה למִּינוֹטָאוּר במבוך?
מבוכים הם מבנים מורכבים המעוצבים כך שאנשים אינם יכולים לברוח מהם. אחד המבוכים האגדתיים ביותר הוא המבוך המיתולוגי של המינוטאור. מבוך זה היה מבנה ענקי ומרשים שהוקם על ידי הארכיטקט המפורסם דֵּדָלוֹס על האי כְּרֵתִים שביוון, במרכז הים הָאֶגֶאִי. לפי האגדה המיתולוגית, דדלוס יצר את המבוך כדי להחביא את המינוטאור – יצור שחציוֹ אדם חציוֹ שור. בכל שבע שנים, הפליגה ספינה שחורה עם יוונים צעירים שניסו לברוח מאתונה לכרתים. כאשר הספינה הגיעה לאי כרתים, היוונים הצעירים הובלו למבוך, שם הם נאבדו במעבריו. לפתע, המינוטאור היה מגיח מהמעברים כדי לרדוף אחרי הצעירים ולהרוות את צימאונו לדם (איור 2A). מוזר ככל שזה נשמע, האגדה הזו היא אנלוֹגיה מתאימה להמחשׁת אופן פעולתו של קניסטר המלא פחמן פעיל.
הסוכנות האמריקאית להגנה על הסביבה (EPA) דורשת כי רכבים מודרניים יהיו מצוידים בקניסטר שעוצר פליטות אידוי (איור 2B). הקניסטר מלא חלקיקי פחמן פעיל. זהו חומר פחמי שנמצא בשימוש נרחב בטיהור מי שתייה וגז טבעי, או בטיהור המים במכל דגים. פחמן פעיל משמש בקניסטרים אלה בשל עלותו הנמוכה, ומאחר שהוא יכול לכלוא מולקולות נדיפות רבות. ברמה המולקולרית, פחמן פעיל הוא חומר מוצק שמורכב מאטומי פחמן המחוברים יחד ליצירת מבנים בצוּרת טבעת הֶקְסָגוֹנָלִית (בעלת שש צלעות). אלה מרכיבים יריעות רבות שנקראות שכבות גְּרָפֶן [4]. אם נתבונן פנימהבפחמן פעיל, נוכל לראות תעלות פנימיות, שנקראות נקבוביות, אשר דומות למעברים של המבוך. הדפנות של הנקבוביות האלה בנויות שכבות גרפן שמונחות זו על גבי זו (איור 2C). במקרה של רכבים, מזהמים, כמו למשל פליטות בנזין, ייכנסו למבוך הפחמן הפעיל דרך הנקבוביות הללו, ויישארו תקועים על שכבות הגרפן.
רכבים מורכבים כך שהתרכובות האורגניות הנדיפות שמתאדות מהבנזין במכל הדלק מנותבות דרך צינור בקניסטר. תרכובות אלה, כמו היוונים הצעירים, מוּבָלוֹת לְעֵבֶר המבוך. המולקולות שנכנסות למבוך נאבדות בהדרגה בתוך מעבריו. כאשר מולקולות בנזין נכנסות עמוק יותר למבוך, המעברים נעשים צרים יותר. התרכובות האורגניות הנדיפות אשר משוטטות במבוך נתקעות במהרה בדפנותיו, בתהליך שנקרא סְפִיחָה. פחמן פעיל ותרכובות אורגניות נדיפות נמשכים זה לזה כמו מגנטים. תהליך הספיחה מתרחש אפילו כאשר הרכב אינו פועל.
בהמשך לאנלוגיה הזו, מעברי המבוך צריכים להיות מנוקים כך שיוכלו לספוח תרכובות אורגניות נדיפות חדשות למוחרת. מסיבה זו, מנוֹע הרכב פועל כמו מינוטאור, על ידי כך שהוא ניזון מתרכובות אורגניות נדיפות. בפעם הבאה שהרכב מוּנע, אוויר מוזרם דרך הקניסטר במטרה להפריד תרכובות אורגניות נדיפות מדפנות מעברי הפחמן הפעיל. תהליך זה נקרא שחרור, כלומר ניתוק המולקולות שנאספו על המעברים. לאחר מכן, המולקולות המשוחררות האלה נשרפות במנוע. בשלב זה, מעברי הפחמן הפעיל נוקו והקניסטר מוכן שוב לספוג תרכובות אורגניות נדיפות. הספיחה והשימוש החוזר בבנזין שהתאדה לא רק מסייעים לִמְנֹעַ מתרכובות אורגניות נדיפות לחדור לסביבה, אלא גם מסייעים לרכבים להשתמש בדלק באופן יעיל יותר, ואגב כך לחסוך כסף.
האם ניתן לשפר את ביצועי המבוך?
לפי האגדה היוונית, דדלוס זיהה בעיה במבוך. חלק מהיוונים שנכלאו במבוך הצליחו לברוח בשעת בין ערביים. עקב כך, דדלוס שיפר את המבוך במטרה לכלוא את היוונים באופן יעיל יותר. המבוך החדש אִפְשֵׁר למינוטאור למצוא את הצעירים הכלואים בקלות רבה יותר. לפחמן פעיל יש חיסרון דומה, למרות יכולתו הגבוהה לספוח תרכובות אורגניות נדיפות. במעברים הצרים מאוד של פחמן פעיל, תרכובות אלה עוברות ספיחה בעוצמה לשכבות הגרפן. אפילו אם הן מצליחות להשתחרר מהמעברים הצרים ביותר כאשר הרכב מוּנע, חלק מהתרכובות האורגניות הנדיפות לא יצליחו לברוח מהמבוך. בהמשך, תרכובות אלה עשויות לברוח בהדרגה לסביבה, כאשר הרכב אינו פועל. אף על פי שרק תרכובות אורגניות נדיפות מעטות מצליחות לברוח, זו עדיין בעיה סביבתית. מסיבה זו, מדענים מתמקדים בשיפור הביצועים של הקניסטר על ידי שילוב מבוכים חדשים המורכבים מפחמן.
הפיתוח שאותו מקדמת קבוצת המחקר שלנו
כיום, קבוצת המחקר שלנו עוסקת בפיתוח מבוכי פחמן חדשים. במטרה לִמְנֹעַ פליטות אידוי, המעברים של המבוך החדש נדרשים להיות רחבים מספיק כדי לספוח מולקולות בנזין במהרה. המולקולות צריכות להיות משוחררות לגמרי כאשר המכונית פועלת, כדי לנקות את המעברים. נוסף על כך נבחנת יכולתנו לעשות שימוש מחדש בתוצרי פסולת מתעשייה אחרת לייצור המבוכים הללו. תעשיית הטֶּקִילָה (משקה אלכוהולי) במקסיקו, מייצרת אלפי טונות של פסולת מִדֵּי שנה. טקילה מיוצרת על ידי זיקוק של חומר מצמח הָאֲגָבָה. שאר הצמח הופך לפסולת שנקראת Agave bagasse. זריקת כמויות גדולות כל כך של צמח זה, מהווה בעיה סביבתית.
במחקרנו, עיבדנו agave bagasse במטרה לפתח מבוך חדש, על ידי חימום הצמח לטמפרטורה של 500 מעלות צלזיוס. בתהליך זה נוצר חומר חדש המוכר בשם בִּיוֹ-פחם מאחר שהוא מבוסס פחמן כמו פחם (פחמן פעיל). במבוך החדש נקבוביות רחבות ומעברים גדולים דרך החומר (איור 3). מאחר שהן דומות לפחמן פעיל, תרכובות אורגניות נדיפות מבנזין עוברות ספיחה בחוזקה, כאשר הנקבוביות הרחבות והמעברים הגדולים מיטביים לשחרור מוחלט. זה מסייע למנוע מתרכובות אורגניות נדיפות לברוח לסביבה כאשר הרכב לא מונע [5].
- איור 3 - סינתזה של חומר ספיחה חדשני מתוצר פסולת.
- תעשיית הטקילה מייצרת כמויות גדולות של agave bagasse. תוצר פסולת זה יכול להישרף בטמפרטורות גבוהות ליצירת ביו-פחם, אשר דומה לפחמן פעיל אך בעל מעברים רחבים יותר. כדי לשפר את יכולתו של הביו-פחם לספוח תרכובות אורגניות נדיפות, אפשר לגדל נָנוֹ-צינוריות פחמן על גבי המעברים הרחבים שלו. ניתן לראותן באמצעות מיקרוסקופ עוצמתי שנקרא מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM).
ניתן לשפר עוד יותר את יכולת הספיחה של המבוך החדש הזה! האסטרטגיה היא לבנות מבנים דמויי עמוד, כמו טורים, דרך המעברים הגדולים של המבוך. במונחים מדעיים, עמודים אלה מוכרים בתור נָנוֹ-צינוריות פחמן. אלה הם מבנים גליליים זעירים שמורכבים בעיקר מאטומי פחמן (איור 3). התוספת של ננו-צינוריות פחמן למעברי הביו-פחם מגדילה את יכולתו של הביו-פחם לספוח תרכובות אורגניות נדיפות.
ייצור מבוכי פחמן מ-agave bagasse מראֶה כיצד תוצר פסולת עשוי להיות מעניין ושימושי לתעשיית הרכב, וייתכן שגם עבור תעשיות אחרות. יתרונותיו העיקריים של ה-agave bagasse הם שזהו חומר חינמי, ועיבודו ידידותי לסביבה. נוסף על כך מבנים כמו ננו-צינוריות פחמן מאפשרים שיפור ביצועי המבוכים האלה. אולם, לא כל המזהמים בבנזין יכולים להיספח על ידי אותו החומר. לכן, כל מזהם עשוי לדרוש מבוך מסוים בעל מאפיינים שונים. למרבה המזל, הקהילה המדעית מרכזת את מאמציה בפיתוח מבוכים חדשים שיכולים לחסל מזהמים מסוימים. התקווה היא כי קניסטר שבנוי ממבוכים כאלה יהיה אפילו טוב יותר בהגנה על הסביבה מפני תרכובות אורגניות נדיפות.
מבוכי פחמן מסייעים לסביבה
לבסוף, חשוב להדגיש כי תהליך הספיחה משמש למגוון יישׂומים לרבּוֹת הֲסָרַת תרכובות אורגניות נדיפות מארובות תעשייתיות. ספיחה יכולה גם להסיר מזהמים כמו למשל אַרְסֶנִיק וּפְלוּאוֹרִיד ממי שתייה במדינות שבהן מזהמים אלה מהווים בעיה. כמו כן ספיחה יכולה לשמש לאחר אירוע אסוני של דליפת שמן, כמו זה שהתרחש במפרץ מקסיקו בשנת 2010, במטרה להסיר את רכיבי השמן המסוכנים שעשויים להימס במים. תהליך הספיחה משמש גם להֲסָרַת פחמן דו-חמצני מהאוויר, עבור שימוש מאוחר יותר בחממות. יישׂום זה מעורר עניין גובר, מאחר שכמות הפחמן הדו-חמצני העולה באטמוספרה היא גורם מרכזי בשינויי אקלים.
סיכום
תוכלו לראות שישנם שימושים חשובים רבים לחומרים דמויי-מבוך! מוצקים שמסוגלים לספוח מזהמים סביבתיים מהמים או מהאוויר הם תוספת מצוינת לאוסף המשאבים שלנו. בסיועם יהיה באפשרותנו להגן על כדור הארץ מפני הנזק שנגרם לו על ידי פעילויות אנושיות רבות.
מילון מונחים
פליטות אידוי (Evaporative Emissions): ↑ הבנזין שמתאדה ובורח ממיכל הדלק, והוא מקור חשוב לזיהום סביבתי על ידי תרכובות אורגניות נדיפות.
תרכובות אורגניות נדיפות (VOCs-Volatile Organic Compounds): ↑ מולקולות שמשתנות בקלות מנוזל לגז בטמפרטורת החדר. תרכובות אלה משמשות בייצור צבעים, תרופות, חומרי ניקוי ומוצרים אחרים.
גרפן (Graphene): ↑ צורה גבישית של פחמן, שהאטומים שלה מסודרים במבנה הקסגונלי (בעל שש צלעות). גרפן שכיח בעפרונות ובחומרי סיכה, והוא מוליך טוב של חום וחשמל.
ספיחה (Adsorption): ↑ תהליך הידבקות מולקולות של נוזל או גז לפני השטח של חומר מוצק.
שחרור (Desorption): ↑ התהליך ההפוך לספיחה, שבו מולקולות משוחררות מפני השטח.
Agave Bagasse: ↑ הפסולת המוצקה העיקרית שמיוצרת על ידי תעשיית הטקילה במקסיקו. פסולת זו מדאיגה מההיבט הסביבתי כיוון שהיא מיוצרת בכמויות גדולות מאוד – 377,000 טונות בשנת 2016 בלבד!
ביו-פחם (Biochar): ↑ חומר מבוסס פחם שמיוצר מחימום (בין 250 ל-600 מעלות צלזיוס) של פסולת בִּיוֹ-מָסָה או פסולת אורגנית תעשייתית.
ננו-צינוריות פחמן (Carbon Nanotubes): ↑ צינוריות זעירות עשויות פחמן, בקוטר של ננומטרים (1 ננומטר = 0.0000001 סנטימטרים). כיום מגלים בהן עניין רב עבור מעגלים חשמליים; אגירת אנרגיה וספיחת מזהמים.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
מקורות
[1] ↑ Mirzaei, A., Leonardi, S. G., and Neri, G. 2016. Detection of hazardous volatile organic compounds (VOCs) by metal oxide nanostructures-based gas sensors: a review. Ceram. Int. 42:15119–41. doi: 10.1016/j.ceramint.2016.06.145
[2] ↑ Jia, L., Yu, W., Long, C., and Li, A. 2014. Adsorption equilibrium and dynamics of gasoline vapors onto polymeric adsorbents. Environ. Sci. Pollut. Res. 21:3756–63. doi: 10.1007/s11356-013-2328-z
[3] ↑ Li, B., Sai, S., Ho, H., Xue, Y., Huang, Y., and Wang, L. 2017. Characterizations of volatile organic compounds (VOCs) from vehicular emissions at roadside environment: the first comprehensive study in Northwestern China. Atmos. Environ. 161:1–12. doi: 10.1016/j.atmosenv.2017.04.029
[4] ↑ Goyal, M., and Bansal, R. C. 2005. Activated Carbon Adsorption. Boca Raton, FL: Taylor & Francis Group.
[5] ↑ Nieto-Delgado, C., and Rangel-Mendez, J. R. 2011. Production of activated carbon from organic by-products from the alcoholic beverage industry: surface area and hardness optimization by using the response surface methodology. Ind. Crops Prod. 34:1528–37. doi: 10.1016/j.indcrop.2011.05.014