Influence of Ultramicroporosity and Surface Chemistry on Dynamic CO2 Capture in Activated Carbons
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक बायोमास-आधारित सक्रिय कार्बन अपने उत्कृष्ट अल्ट्रामाइक्रोपोरोसिटी और सतह रसायन के कारण गतिशील CO2 कैप्चर में एक वाणिज्यिक कोयला-व्युत्पन्न समकक्ष से बेहतर प्रदर्शन करता है, जो संयुक्त प्रयोगात्मक ब्रेकथ्रू परीक्षणों और परमाणु सिमुलेशन (एटोमिस्टिक सिमुलेशन) के माध्यम से प्रमाणित किया गया है।
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कल्पना कीजिए कि आप हवा की एक धारा में तैरते हुए नन्हे, अदृश्य गुब्बारों (कार्बन डाइऑक्साइड, या CO2) को पकड़ने की कोशिश कर रहे हैं, जबकि बाकी हवा (ज्यादातर नाइट्रोजन, N2) को सीधे गुजर जाने दे रहे हैं। ऐसा करने के लिए, आपको एक विशेष जाल की आवश्यकता होगी। इस अध्ययन में, वैज्ञानिकों ने यह देखने के लिए सक्रिय कार्बन (activated carbon) से बने दो अलग-अलग प्रकार के "जालों" का परीक्षण किया कि कौन सा CO2 के गुब्बारों को पकड़ने में बेहतर है।
यहाँ एक सरल विवरण दिया गया है कि उन्होंने क्या किया और उन्हें क्या पता चला:
दो दावेदार
शोधकर्ताओं ने दो बहुत ही अलग तरह के जालों की तुलना की:
- "पुराना भरोसेमंद" (WS-480): यह कोयले (जीवाश्म ईंधन) से बना एक व्यावसायिक कार्बन है। यह एक प्रसिद्ध, भारी-भरकम मछली पकड़ने वाले जाल की तरह है जिसका उपयोग वर्षों से किया जाता रहा है।
- "पर्यावरण के अनुकूल नया आया" (MSP700-A900CO2): यह पौधों के कचरे (विशेष रूप से, सूखा हुआ घास जिसे मिसकैन्थस कहा जाता है) से बना एक नया कार्बन है। यह नवीकरणीय बगीचे के अवशेषों से तैयार किए गए एक कस्टम-मेड जाल की तरह है।
आश्चर्य: बड़ा होना हमेशा बेहतर नहीं होता
आमतौर पर, जब आप चीजों को पकड़ना चाहते हैं, तो आप एक ऐसा जाल चाहते हैं जिसमें सबसे अधिक छेद और सबसे बड़ा सतह क्षेत्र (surface area) हो। जब वैज्ञानिकों ने मानक परीक्षणों का उपयोग करके जालों के "कुल आकार" को देखा, तो कोयले पर आधारित वाला (WS-480) बहुत बड़ा और अधिक छिद्रपूर्ण (porous) दिखाई दिया। ऐसा लगा जैसे वह स्पष्ट विजेता हो।
हालाँकि, पौधे पर आधारित जाल (MSP700) ने वास्तव में अधिक CO2 को पकड़ा।
क्यों? क्योंकि यह छेदों की कुल संख्या के बारे में नहीं है, बल्कि छेदों के आकार के बारे में है।
- "अल्ट्रामाइक्रोपोर्स" (Ultramicropores): पौधे पर आधारित जाल में बहुत बड़ी संख्या में अत्यंत सूक्ष्म, सूक्ष्मदर्शी छिद्र (0.7 नैनोमीटर से छोटे) थे। इन्हें "परफेक्ट फिटिंग वाली जेबों" के रूप में सोचें। CO2 के अणु बिल्कुल सही आकार के हैं ताकि वे इन छोटी जेबों में फंस सकें, जबकि नाइट्रोजन के बड़े अणु आसानी से फिट नहीं हो पाते।
- "केमिकल ग्लू" (रासायनिक गोंद): पौधे पर आधारित जाल में इसकी सतह पर रासायनिक "चिपकने वाले स्थानों" (ऑक्सीजन समूह) की विविधता भी अधिक थी। ये स्थान वेल्क्रो (Velcro) की तरह काम करते हैं, जो CO2 अणुओं को कोयले वाले जाल की तुलना में अधिक मजबूती से पकड़ लेते हैं।
सिमुलेशन: एक डिजिटल जुड़वां बनाना
चूंकि आप एक साधारण सूक्ष्मदर्शी से कार्बन के भीतर के सूक्ष्म छेदों को नहीं देख सकते, इसलिए वैज्ञानिकों ने कंप्यूटर पर इन जालों के "डिजिटल जुड़वां" बनाए।
- उन्होंने कोयले के जाल और पौधे के जाल का एक 3D मॉडल बनाया।
- उन्होंने महसूस किया कि कंप्यूटर मॉडल बहुत चिकने और साफ थे, इसलिए उन्होंने वास्तविक जीवन की केमिस्ट्री से मेल खाने के लिए मैन्युअल रूप से "चिपकने वाले स्थानों" (functional groups) को डिजिटल मॉडल में जोड़ा।
- उन्होंने लाखों वर्चुअल सिमुलेशन चलाए ताकि यह देख सकें कि CO2 और नाइट्रोजन के अणु इन डिजिटल जालों से टकराने पर कैसा व्यवहार करते हैं।
कंप्यूटर मॉडल वास्तविक दुनिया के प्रयोगों से पूरी तरह मेल खा गए। इसने साबित कर दिया कि उनकी डिजिटल "जुड़वां" रणनीति काम करती है और वे कंप्यूटर पर भरोसा कर सकते हैं कि यह पौधे पर आधारित जाल क्यों जीत रहा था।
वास्तविक दुनिया का परीक्षण: एक फिक्स्ड-बेड रिएक्टर
यह देखने के लिए कि वास्तविक दुनिया के परिदृश्य में (जैसे कि कारखाने की चिमनी में) ये जाल कैसे काम करते हैं, उन्होंने एक "ब्रेकथ्रू टेस्ट" चलाया।
- सेटअप: एक ट्यूब की कल्पना करें जो कार्बन के दानों (pellets) से भरी हुई है। उन्होंने इसमें CO2 और नाइट्रोजन का मिश्रण पंप किया।
- लक्ष्य: वे यह देखना चाहते थे कि जाल कितनी देर तक CO2 को पकड़ सकता है इससे पहले कि वह "भर" जाए और CO2 को बाहर निकलने लगे (ब्रेकथ्रू)।
- परिणाम: पौधे पर आधारित जाल ने CO2 को बहुत लंबे समय तक थामे रखा और अधिक मात्रा में इसे पकड़ा, भले ही उन्होंने हवा की गति, तापमान या मिश्रण में CO2 की मात्रा को बदला हो।
मुख्य निष्कर्ष
अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि धुएं से CO2 पकड़ने के लिए, गुणवत्ता मात्रा से बेहतर है।
- कोयले पर आधारित कार्बन में बड़ा कुल सतह क्षेत्र था, लेकिन इसके छेद कम CO2 स्तरों पर कुशल होने के लिए बहुत बड़े थे।
- पौधे पर आधारित कार्बन, जो नवीकरणीय घास से बना है, में "सही आकार की" छोटी जेबों की उच्च सांद्रता और बेहतर रासायनिक "चिपचिपाहट" थी।
इसका मतलब यह है कि नवीकरणीय, पौधे पर आधारित सामग्रियां पारंपरिक जीवाश्म-ईंधन आधारित सामग्रियों से बेहतर प्रदर्शन कर सकती हैं, बशर्ते उन्हें सही सूक्ष्म संरचना और सतह रसायन विज्ञान के साथ डिजाइन किया गया हो। वैज्ञानिकों ने यह भी दिखाया कि इन सामग्रियों का परीक्षण करने के लिए कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करना भविष्य के बेहतर जाल डिजाइन करने का एक तेज़ और विश्वसनीय तरीका है।
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