Process design and enhancement of extraction distillation for separating n-propanol and dimethyl carbonate using imidazolium-based ionic liquids

यहाँ शोध पत्र का हिंदी अनुवाद दिया गया है:

बड़ी समस्या: "चिपचिपा" मिश्रण

कल्पया करें कि आपके पास दो तरल पदार्थों की एक बाल्टी है, डाइमिथाइल कार्बोनेट (DMC) और एन-प्रोपेनॉल (NPA)। ये दोनों एक ऐसे डांसिंग पार्टनर की तरह हैं जो एक-दूसरे को छोड़ने से इनकार कर देते हैं। रसायन विज्ञान में, इसे एज़ियोट्रोप (azeotrope) कहा जाता है।

सामान्यतः, तरल पदार्थों को अलग करने के लिए उन्हें उबाला जाता है। जो पहले उबलता है वह गैस में बदल जाता है और एकत्र कर लिया जाता है, जबकि दूसरा पीछे रह जाता है। लेकिन क्योंकि ये दोनों पार्टनर इतने "चिपचिपे" हैं (वे एक एज़ियोट्रोप बनाते हैं), वे बिल्कुल एक ही तापमान पर उबलते हैं। एक मानक उबालने वाले बर्तन के साथ उन्हें अलग करने की कोशिश करना, ट्रेडमिल पर दौड़ते समय एक-दूसरे का हाथ पकड़े हुए दो लोगों को अलग करने की कोशिश करने जैसा है; आप उन्हें बस अलग नहीं कर सकते।

यह एक बड़ी बात है क्योंकि DMC लिथियम-आयन बैटरी (जो आपके फोन और इलेक्ट्रिक कारों में होती हैं) बनाने के लिए एक प्रमुख घटक है। DMC बनाने की औद्योगिक प्रक्रिया पीछे DMC और NPA का एक अपशिष्ट मिश्रण छोड़ देती है जिसे साफ करना कठिन होता है। इस शोध पत्र का लक्ष्य उन्हें अलग करने का एक बेहतर तरीका खोजना है।

समाधान: "आणविक मिलाप कराने वाला" (The Molecular Matchmaker)

शोधकर्ताओं ने एक्सट्रैक्टिव डिस्टिलेशन (Extractive Distillation) नामक तकनीक का उपयोग करने का निर्णय लिया। इसे एक "मिलाप कराने वाले" (जिसे एक्सट्रैक्टेंट कहा जाता है) को डांस फ्लोर पर बुलाने के रूप में सोचें।

मिलाप कराने वाले का काम एक डांसर (NPA) को पकड़ना है और उसे कसकर थामे रखना है, जबकि दूसरे डांसर (DMC) को अनदेखा करना है। एक बार जब मिलाप कराने वाला NPA को पकड़ लेता है, तो मूल दोनों पार्टनर अब एक साथ चिपके नहीं रहते। अब, जब आप मिश्रण को उबालते हैं, तो "मुक्त" DMC आसानी से गैस के रूप में उड़ जाता है, जिससे "पकड़ा हुआ" NPA पीछे रह जाता है।

चरण 1: सही मिलाप कराने वाले की खोज

टीम के पास आयनिक लिक्विड्स (विशेष लवण जो कमरे के तापमान पर तरल होते हैं) से बने 40 संभावित मिलाप कराने वालों की एक लंबी सूची थी। उन्हें सबसे अच्छा ढूंढना था।

• कंप्यूटर स्क्रीनिंग: उन्होंने यह सिम्युलेट करने के लिए कि ये मिलाप कराने वाले कैसे व्यवहार करेंगे, एक अत्यंत उन्नत कंप्यूटर प्रोग्राम (COSMO सिद्धांत) का उपयोग किया। यह देखने के लिए हजारों वर्चुअल 'स्पीड डेट्स' चलाने जैसा है कि कौन सबसे अच्छा तालमेल बिठाता है।
• विजेता: उन्होंने इसे तीन उम्मीदवारों तक सीमित किया और अंततः [EMim][AC] को चुना।
• जीत का कारण: क्वांटम केमिस्ट्री (अणुओं के विद्युत आवेशों को देखना) का उपयोग करते हुए, उन्होंने पाया कि [EMim][AC] का NPA पर एक विशिष्ट "चुंबकीय" खिंचाव है। यह एक चुंबक की तरह है जो केवल लोहे से चिपकता है, प्लास्टिक से नहीं। कंप्यूटर ने दिखाया कि [EMim][AC], DMC की तुलना में NPA के साथ बहुत मजबूत और स्थिर बंधन बनाता है।

चरण 2: नृत्य देखना (मॉलिक्यूलर डायनेमिक्स)

सुनिश्चित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने मॉलिक्यूलर डायनेमिक्स सिमुलेशन का उपयोग करके अणुओं का एक "मूवी" चलाया। यह डांस फ्लोर पर हाई-स्पीड कैमरा लगाने जैसा है ताकि यह देखा जा सके कि मिलाप कराने वाले के आने पर वास्तव में क्या होता है।

• अवलोकन: सिमुलेशन ने दिखाया कि मिलाप कराने वाले का नकारात्मक हिस्सा (anion), NPA को वेल्क्रो स्ट्रिप (velcro strip) की तरह पकड़ लेता है।
• परिणाम: NPA, मिलाप कराने वाले द्वारा "कैद" कर लिया जाता है, जबकि DMC स्वतंत्र होकर उड़ जाता है। इसने पुष्टि की कि मिलाप कराने वाला ठीक वैसा ही काम करता है जैसा कंप्यूटर ने भविष्यवाणी की थी।

चरण 3: फैक्ट्री का निर्माण (प्रोसेस डिज़ाइन)

एक बार जब उन्हें पता चल गया कि मिलाप कराने वाला काम करता है, तो उन्होंने एस्पेन प्लस (Aspen Plus) सॉफ्टवेयर का उपयोग करके एक फैक्ट्री प्रक्रिया डिजाइन की। उन्होंने दो विशाल डिस्टिलेशन टावरों का एक आभासी संस्करण बनाया।

1. टावर 1: मिश्रण और मिलाप कराने वाला इसमें जाते हैं। "मुक्त" DMC शुद्ध उत्पाद के रूप में ऊपर से उड़ जाता है। NPA, जो अब मिलाप कराने वाले के साथ हाथ पकड़े हुए है, नीचे बैठ जाता है।
2. टावर 2: निचला मिश्रण यहाँ जाता है। वे इसे इतना गर्म करते हैं कि NPA निकल जाए, लेकिन मिलाप कराने वाला बना रहे। शुद्ध NPA ऊपर से आता है, और मिलाप कराने वाले को फिर से शुरू करने के लिए वापस चक्र में भेज दिया जाता है।

चरण 4: इसे अधिक हरा-भरा और सस्ता बनाना (हीट इंटीग्रेशन)

इन टावरों को चलाने के लिए बहुत अधिक ऊर्जा (गर्मी) की आवश्यकता होती है और इससे अपशिष्ट ऊष्मा उत्पन्न होती है। शोधकर्ताओं ने देखा कि दूसरे टावर के नीचे से निकलने वाला तरल बहुत गर्म था।

• पुराना तरीका: आप उस गर्म तरल को बस फेंक देंगे, जिससे सारी गर्मी बर्बाद हो जाएगी।
• नया तरीका (हीट इंटीग्रेशन): उन्होंने एक "हीट एक्सचेंजर" (एक थर्मल ब्रिज की तरह) स्थापित किया। उन्होंने दूसरे टावर से गर्म तरल लिया और उसके बचे हुए ताप का उपयोग पहले टावर में प्रवेश करने वाले तरल को गर्म करने के लिए किया।

उपमा: कल्पना करें कि आप सूप बना रहे हैं। सब्जियों को धोने के लिए उपयोग किए गए गर्म पानी को फेंकने के बजाय, आप उस गर्म पानी का उपयोग अगले बैच के सूप के लिए बर्तन को प्री-हीट करने के लिए करते हैं। आप ईंधन और पैसा बचाते हैं।

अंतिम स्कोरकार्ड

शोधकर्ताओं ने अपने नए तरीके (हीट रीसाइक्लिंग के साथ आयनिक लिक्विड मिलाप कराने वाले का उपयोग करने वाला) की तुलना पुराने, मानक तरीके (DMSO नामक विलायक का उपयोग करने वाले) से की।

• पैसा: नया तरीका कुल वार्षिक लागत में लगभग 1.77% की बचत करता है। हालांकि यह सुनने में कम लगता है, लेकिन एक बड़े कारखाने में, यह बहुत सारा पैसा है।
• प्रदूषण: नया तरीका हानिकारक गैस उत्सर्जन (जैसे CO2 और SO2) को 4.58% कम करता है।
• तुलना: पुराने DMSO तरीके की तुलना में, नया तरीका 55% सस्ता है और 59% कम प्रदूषण पैदा करता है।

मुख्य निष्कर्ष

यह शोध पत्र यह सिद्ध करता है कि एक विशिष्ट आयनिक लिक्विड को "आणविक मिलाप कराने वाले" के रूप में उपयोग करके और प्रक्रिया से गर्मी को पुनर्चक्रित करके, हम इन जटिल बैटरी रसायनों को पहले की तुलना में बहुत अधिक कुशलता से, सस्ते में और स्वच्छता से अलग कर सकते हैं। यह जेब और पर्यावरण दोनों के लिए एक जीत है।