صمم الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا محفزاً جديداً يمكنه تحويل الميثان إلى بوليمرات مفيدة، مما قد يساعد في تقليل انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري العالمي.
على الرغم من أن غاز الميثان أقل وفرة من ثاني أكسيد الكربون، إلا أنه يساهم بشكل غير متناسب في ظاهرة الاحتباس الحراري العالمي، لأنه يحبس المزيد من الحرارة في الغلاف الجوي مقارنة بثاني أكسيد الكربون، وذلك بسبب بنيته الجزيئية.
ويقول المؤلف الرئيسي للدراسة، مايكل سترانو، إن التعامل مع الميثان مشكلة طويلة الأمد، موضحاً: "إنه مصدر للكربون، ونريد إبعاده عن الغلاف الجوي ولكن أيضاً تحويله إلى شيء مفيد".
يعمل المحفز الجديد في درجة حرارة الغرفة، مما قد يجعل نشره في مواقع إنتاج الميثان أسهل وأكثر فائدة اقتصادية، مثل محطات الطاقة وحظائر الماشية.
ويتم إنتاج الميثان بواسطة بكتيريا تُعرف باسم "الميثانوجينات"، والتي غالباً ما تتركز بشكل كبير في مكبات النفايات والمستنقعات وغيرها من مواقع الكتلة الحيوية المتحللة.
وتُعد الزراعة مصدراً رئيسياً للميثان، كما يتم توليد غاز الميثان كمنتج ثانوي لنقل وتخزين وحرق الغاز الطبيعي، ويُعتقد بشكل عام أنه مسؤول عن نحو 15% من ارتفاع درجات الحرارة العالمية.
على المستوى الجزيئي، يتكون الميثان من ذرة كربون واحدة مرتبطة بأربع ذرات هيدروجين. ومن الناحية النظرية، يجب أن يكون هذا الجزيء لبنة بناء جيدة لصنع منتجات مفيدة مثل البوليمرات.
مكونات المحفز
ومع ذلك، فقد ثبت أن تحويل الميثان إلى مركبات أخرى أمر صعب؛ لأن جعله يتفاعل مع جزيئات أخرى يتطلب عادة درجة حرارة عالية وضغوطاً عالية.
ولتحقيق تحويل الميثان دون إدخال هذا القدر من الطاقة، صمم فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا محفزاً هجيناً مكوناً من مكونين: الزيوليت وإنزيم طبيعي.
والزيوليت عبارة عن معادن وفيرة وغير مكلفة تشبه الطين، وقد وجدت أعمال سابقة أنه يمكن استخدامها لتحفيز تحويل الميثان إلى ثاني أكسيد الكربون.
في هذه الدراسة، استخدم الباحثون الزيوليت المسمى سيليكات الألومنيوم المعدلة بالحديد، مقترناً بإنزيم يُسمّى "أوكسيديز الكحول" والذي تستخدمه البكتيريا والفطريات والنباتات لأكسدة الكحول.
يقوم هذا المحفز الهجين بإجراء تفاعل من خطوتين، حيث يحوّل الزيوليت الميثان إلى ميثانول، ثم يحوّل الإنزيم الميثانول إلى الفورمالديهايد.
وينتج هذا التفاعل أيضاً بيروكسيد الهيدروجين، والذي يتم تغذيته مرة أخرى إلى الزيوليت لتوفير مصدر للأكسجين لتحويل الميثان إلى ميثانول.
يمكن أن تحدث هذه السلسلة من التفاعلات في درجة حرارة الغرفة ولا تتطلب ضغطاً عالياً. ويتم تعليق جزيئات المحفز في الماء، والذي يمكنه امتصاص الميثان من الهواء المحيط، وبالنسبة للتطبيقات المستقبلية، يتصور الباحثون أنه يمكن طلائه على الأسطح.
تعمل أنظمة أخرى في درجات حرارة عالية وضغط مرتفع، وتستخدم بيروكسيد الهيدروجين، وهو مادة كيميائية باهظة الثمن، لدفع أكسدة الميثان.
لكن الإنزيم الجديد ينتج بيروكسيد الهيدروجين من الأكسجين "لذلك أعتقد أن نظامنا يمكن أن يكون فعالاً من حيث التكلفة وقابلاً للتطوير"، حسبما يقول الباحثون.
بمجرد إنتاج الفورمالديهايد، أظهر الباحثون أنه يمكنهم استخدام هذا الجزيء لتوليد البوليمرات عن طريق إضافة اليوريا، وهو جزيء يحتوي على النيتروجين يوجد في البول.
يستخدم هذا البوليمر الشبيه بالراتنج، والمعروف باسم "اليوريا فورمالديهايد"، الآن في ألواح الجسيمات والمنسوجات وغيرها من المنتجات.
ويرى الباحثون أنه يمكن دمج هذا المحفز في الأنابيب المستخدمة لنقل الغاز الطبيعي.
وداخل هذه الأنابيب، يمكن للمحفز أن يولد بوليمر يمكن أن يعمل كمادة مانعة للتسرب لعلاج الشقوق في الأنابيب، والتي تُعد مصدراً شائعاً لتسرب الميثان.
ويقول الباحثون إن المحفز يمكن استخدامه أيضاً كفيلم لتغطية الأسطح المعرّضة لغاز الميثان، لإنتاج البوليمرات التي يمكن جمعها لاستخدامها في التصنيع.
