הפחמן הוא אחד היסודות הנפוצים ביותר ביקום, ויחד עם המימן הוא מרכיב את השלד המולקולרי של כל היצורים החיים על פני כדור הארץ, המכונים בִּיּוֹמָסָה. אז למה מדענים שורפים ביומסה? מה מיוחד כל כך בפחם פעיל ומהם השימושים שלו?

בשנת 1874 רכש אגיפטולוג גרמני בשם גאורג אברס פפירוס המתוארך ל-1500 לפנה"ס בערך. מסמך חשוב זה, הידוע בשם "פפירוס אברס" [1], עוסק בענייני רפואה וכולל את אחת העדויות הראשונות לשימוש בפחם לטיפול בקלקול קיבה [2]. למעשה, כבר לפני יותר מ-3500 שנה ידעו המצרים מה שאנחנו יודעים כיום – אפשר להשתמש בפחם כדי לטפל בבעיות במערכת העיכול. ברפואה המודרנית פחם משמש לטיפול במקרים של הרעלה ומנת-יתר, זאת הודות למבנה הנקבובי שלו, המאפשר ספיחה של מולקולות רעילות [3].

לפני שנדבר על פחם, צריך לדבר על היסוד המרכיב אותו – פחמן.
הפחמן, המסומן באות C, הוא היסוד השישי בטבלה המחזורית, ויחד עם היסוד מימן הוא מהווה את הבסיס לכל החומרים האורגניים על פני כדור הארץ. פחמן יכול להימצא במגוון רחב של מבנים מולקולריים. חומרים העשויים מאותו יסוד כימי אך שונים זה מזה במבנה המולקולרי ובקשרים הכימיים שבהם נקראים אלוטרופים, ולפחמן יש לפחות 40 אלוטרופים שונים(!), ביניהם פחם, גרפיט, יהלום ופולרן (Fullerene), מולקולה המורכבת מאטומי פחמן ומזכירה בצורתה כדור כדורגל (ראו איור) [4].

האלוטרופים של הפחמן נבדלים זה מזה לא רק במבנה המולקולרי ובקשרים הכימיים, אלא גם במידת הסדר של האטומים בחומר: ככל שהאטומים מסודרים יותר החומר נחשב גבישי יותר, וככל שיש פחות סדר החומר נחשב אמורפי יותר. כך, יהלום ופולרן הם גבישיים ואילו פחם הוא אמורפי [5]. אחד ההבדלים המשמעותיים בין חומר גבישי לחומר אמורפי הוא נקודת ההתכה, שהיא הטמפרטורה שבה חומר הופך ממוצק לנוזל: לחומרים גבישיים יש נקודת התכה ספציפית (לדוגמה, נקודת ההתכה של מלח בישול היא 800 מעלות צלזיוס), ואילו בחומרים אמורפיים המעבר בין מוצק לנוזל הוא הדרגתי ומתרחש בטווח טמפרטורות. לדוגמה, זכוכית היא מוצק אמורפי, וכשמקררים במהירות זכוכית מותכת, מצב הצבירה שלה משתנה בהדרגה: הנוזל הצמיג מתמצק ככל שהוא מתקרר, וכך אפשר לעבד את הזכוכית וליצור ממנה צורות שונות.

פולרן (C60). מקור: Wikimedia

רובנו יודעים שגרפיט הוא החומר המצוי בעפרונות ושיהלומים משמשים להשוויץ בסטוריז באינסטגרם (מסוג "ברור שאמרתי כן!"), אבל לפחמן יש שימושים נוספים רבים. אחת מהצורות הנפוצות של פחמן היא פחם פעיל [6], חומר נקבובי, אמורפי ובעל שטח פנים גדול, אשר נמצא בשימוש נרחב בתעשייה.

הפחם הפעיל מופק ברובו מביומסה, שם כולל לכל החומרים האורגניים הלא מאובנים באזור ובזמן מסוימים. במושגי הפקת אנרגיה, ביומסה היא חומר אורגני המצוי בטבע שמקורו בבעלי חיים וצמחים [7]. כדי להפיק פחם פעיל יש להעביר את הביומסה תהליך של פירוליזה – שריפה בטמפרטורות גבוהות (מעל 600 מעלות צלזיוס) בנוכחות גז אינרטי, חנקן לדוגמה. בסופו של התהליך מתקבל פחם ובו נקבוביות מיקרוסקופיות, אשר מקנות לחומר שטח פנים גדול [8]. פחם פעיל נפוץ בתעשיות רבות [9]: הוא משמש בתור זרז לתגובות כימיות במגוון התקנים להמרה ואחסון אנרגיה, למשל סוללות [10]. בנוסף, יש לפחם הפעיל יישומים סביבתיים שונים, כי הודות למבנה הנקבובי שלו הוא יכול לספוח מזהמים ממים [11] ולשמש במסנני אוויר. למי שנולד לפני שנות ה-90 אולי הוא זכור מן המסננים של מסכות גז [12].

למרבה הצער, היתרון של הפקת פחם פעיל מביומסה הוא גם החיסרון. מצד אחד, ניתן להרחיב את יישום התהליך לרמת מפעלים, מכיוון שביומסה מצויה בשפע ומכיוון שהתהליך זול ולא נוצר במהלכו פחמן דו-חמצני. מצד שני, היות שהביומסה מגוונת מאוד, קשה לשלוט בתכונות המוצר המתקבל בתהליך. נדרשת מידה מסוימת של שליטה במבנה הפחם הפעיל המתקבל, ובפרט בשטח הפנים וגודל הנקבוביות, כדי להשיג יכולת להנדס פחמנים המתאימים במדויק ליישומים שונים, לדוגמה פחם פעיל עם נקבוביות גדולות לספיחה של מולקולות מזהמות ממים [13] או פחם פעיל עם נקבוביות קטנות ללכידת מולקולות פחמן דו-חמצני מהאטמוספרה [14].

המחקר על פחם פעיל מביומסה אינו תחום חדש, וזה שנים רבות נעשה שימוש בפחם פעיל מקליפות קוקוס בקבלי-על, שהם סוג של התקנים לאגירת אנרגיה [15]. עם זאת, בנוסף למחקר רב בתחום השליטה המבנית, דרוש גם מחקר אקדמי מקיף  אשר יבחן את השפעת מאפייני הביומסה (גיל, סוג, מיקום גאוגרפי, אקלים) והתהליך הכימי (טמפרטורה, משך זמן, תוספים כימיים), כדי שניתן יהיה לחזור על התוצאות גם בקנה מידה רחב יותר. זה יאפשר שימוש בפחמנים אלו מחוץ לכותלי המעבדה, בשלל יישומים סביבתיים ובתחום האנרגיה הירוקה [16].

מי יודע, אולי בעוד כמה שנים נוכל לרכוש רכב בעל מנוע חשמלי שאחד מרכיביו יהיה פחם פעיל אשר יופק מביומסה.

עריכה: סמדר רבן

מקורות והרחבות

[1] "פפירוס אברס"

[2] התפתחות השימוש בחומרים נקבוביים מתרופות קדומות ועד לעת המודרנית

[3] שימוש בפחם פעיל ברפואה מודרנית

[4] פוסט על אלטרופים של פחמן

[5] על פחם אמורפי

[6] על פחם פעיל

[7] על ביומסה

[8] על פירוליזה

[9] על פחם מביומסה

[10] על שימוש בפחם במכשור לאחסון אנרגיה

[11] יישומים של פחם פעיל

[12] על מסכות גז המכילות פחם פעיל

[13] ספיחת מולקולות מזהמות ממים באמצעות פחם פעיל

[14] על לכידת פחמן דו-חמצני

[15] מאמר על שימוש בפחם מקליפות קוקוס בקבלי-על

[16] על חשיבות הדיווח האקדמי ליצירת פחמנים מדויקים עבור יישומים סביבתיים