Industrial mineral suspension treatment with alkali dissolved cellulose-based flocculants

खनन उद्योग में, चट्टानों से मूल्यवान खनिजों को निकालने की प्रक्रिया अक्सर पानी और सूक्ष्म, जिद्दी कणों का एक धुंधला घोल पीछे छोड़ देती है। खनिज धूल के ये महीन कण प्रबंधित करना कठिन होते हैं; वे स्वाभाविक रूप से नीचे बैठने से इनकार करते हैं, जिससे पानी धुंधला बना रहता है और इसे कारखाने में पुनर्चक्रित (recycle) करने से रोकता है। यदि इस धुंधले पानी को पर्यावरण में छोड़ दिया जाता है, तो यह नदी के तल तक सूर्य के प्रकाश पहुँचने में बाधा डाल सकता है और जलीय जीवन को नुकसान पहुँचा सकता है। इस समस्या को हल करने के लिए, इंजीनियर पारंपरिक रूप से सिंथेटिक रसायनों का उपयोग करते हैं जिन्हें 'फ्लोकुलेंट्स' (flocculants) कहा जाता है। ये लंबी श्रृंखला वाले अणु होते हैं जो एक जाल की तरह काम करते हैं, तैरते हुए कणों को पकड़ते हैं और उन्हें बड़े गुच्छों में बांध देते हैं जो तेजी से नीचे बैठ जाते हैं। हालाँकि, ये पारंपरिक रसायन उन प्लास्टिकों से बने होते हैं जो बहुत धीरे-धीरे नष्ट होते हैं और इनका उत्पादन जहरीले तत्वों का उपयोग करके किया जाता है, जिससे एक पुराने संकट को हल करने के प्रयास में एक नई पर्यावरणीय समस्या पैदा हो जाती है।

फिनलैंड के आल्टो विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक अलग मार्ग अपनाया है, और एक ऐसी सामग्री की ओर रुख किया है जो प्रचुर, नवीकरणीय है और आसानी से नष्ट हो जाती है: सेलुलोज। यह पौधों की कोशिका भित्ति का मुख्य संरचनात्मक घटक है, जो कपास से लेकर लकड़ी तक हर चीज़ में पाया जाता है। टीम ने यह जांचा कि क्या सेलुलोज को एक शक्तिशाली क्षारीय (alkaline) घोल में घोलना सिंथेटिक फ्लोकुलेंट्स के एक हरित विकल्प के रूप में काम कर सकता है। उन्होंने तीन अलग-अलग प्रकार के खनिज मिश्रणों पर इस दृष्टिकोण का परीक्षण किया: टैल्क (talc) का एक प्रयोगशाला निलंबन, एक खदान से निकलने वाले थिकनर टैंक का ओवरफ्लो, और फ्लोटेशन प्रक्रिया से निकलने वाला अपशिष्ट जल। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह वनस्पति-आधारित समाधान सिंथेटिक विकल्पों की तरह ही प्रभावी ढंग से पानी को साफ कर सकता है, बिना पीछे कोई हानिकारक अवशेष छोड़े।

वैज्ञानिकों ने अपने फ्लोकुलेंट्स तैयार करने के लिए सेलुलोज के दो रूपों का उपयोग किया: एक मानक कपास के लिंटर्स (linters) से प्राप्त और दूसरा फेंके गए पॉलिएस्टर-कॉटन टेक्सटाइल ब्लेंड से निकाला गया। उन्होंने इन सामग्रियों को सोडियम हाइड्रोक्साइड के घोल में घोला, यह एक ऐसी प्रक्रिया है जो सेलुलोज फाइबर की कठोर संरचना को तरल अवस्था में तोड़ देती है। प्रदर्शन में सुधार करने के लिए, उन्होंने कुछ सेलुलोज को फॉस्फेट यौगिक के साथ भी उपचारित किया, जो एक रासायनिक संशोधन है जिसका उद्देश्य अणुओं की खनिज कणों के साथ होने वाली अंतःक्रिया को बदलना है। इसके बाद उन्होंने इन घोलों को खनिज निलंबन के साथ मिलाया और देखा कि पानी कितनी जल्दी साफ होता है।

परिणामों ने दिखाया कि सेलुलोज-आधारित उपचार उल्लेखनीय रूप से प्रभावी रहे। शुद्ध टैल्क के साथ प्रयोगशाला परीक्षणों में, सेलुलोज घोल के प्रयोग से दस मिनट के भीतर पानी का धुंधलापन 99.8 प्रतिशत से अधिक कम हो गया। फॉस्फेट-उपचारित सेलुलोज वाला संस्करण थोड़ा बेहतर प्रदर्शन करता है, विशेष रूप से बैठने (settling) के पहले मिनट में, जिससे पता चलता है कि रासायनिक संशोधन ने अणुओं को खनिज कणों को अधिक तेज़ी से पकड़ने में मदद की। जब टीम वास्तविक दुनिया के नमूनों के साथ आगे बढ़ी, तो परिणाम समान रूप से उत्साहजनक थे। मध्यम स्तर की धुंधलेपन वाले थिकनर ओवरफ्लो के लिए, फॉस्फेट-उपचारित सेलुलोज के थोड़े से अंश ने पानी को काफी साफ कर दिया, जिससे दस मिनट के बाद टर्बिडिटी (turbidity) लगभग 97.5 प्रतिशत कम हो गई। बहुत अधिक गंदे फ्लोटेशन टेलिंग्स (tailings) के लिए, फ्लोकुलेंट की उच्च मात्रा की आवश्यकता थी, लेकिन इसने फिर भी पानी को इस स्तर तक साफ करने में सफलता प्राप्त की जहाँ टर्बिडिटी 99.9 प्रतिशत कम हो गई।

इस अध्ययन में एक प्रमुख खोज एल्केलाइन घोल की भूमिका थी। चूंकि सेलुलोज को एक मजबूत क्षार में घोला जाता है, इसलिए फ्लोकुलेंट जोड़ने से पानी का pH स्तर भी बढ़ जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि अम्लता में यह परिवर्तन, पानी में पहले से मौजूद मैग्नीशियम आयनों के साथ मिलकर, खनिज कणों को सेलुलोज फाइबर के कार्यभार संभालने से पहले ही आपस में जुड़ने में मदद करता है। यह सुझाव देता है कि पूरा मिश्रण एक दोहरे उद्देश्य वाले उपकरण के रूप में कार्य करता है, जहाँ रासायनिक वातावरण और भौतिक फाइबर मिलकर बैठने की प्रक्रिया को तेज करते हैं।

यह समझने के लिए कि वास्तव में यह कैसे होता है, शोधकर्ताओं ने जमा हुए ठोस पदार्थों के परीक्षण के लिए एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी का उपयोग किया। छवियों ने खुलासा किया कि जैसे ही सेलुलोज घोल पानी के साथ मिश्रित हुआ और फिर ठोस रूप में पुनर्जीवित हुआ, उसने खनिज कणों के बीच एक भौतिक सेतु (bridge) बना दिया। सेलुलोज ने केवल कणों को ढका ही नहीं; बल्कि इसने एक छिद्रपूर्ण, जाल जैसी संरचना बनाई जिसने चिकने खनिज फ्लेक्स को आपस में बुन दिया, जिससे उन्हें बड़े, भारी गुच्छों में बांध दिया जो तेजी से नीचे बैठ सके। यह भौतिक ब्रिजिंग तंत्र (physical bridging mechanism) ही प्राथमिक तरीका प्रतीत होता है जिससे यह वनस्पति-आधारित सामग्री पानी को साफ करती है।

अध्ययन ने पुनर्चक्रित (recycled) सामग्रियों की व्यावहारिकता पर भी ध्यान दिया। पुराने पॉलिएस्टर-कॉटन कपड़ों से निकाला गया सेलुलोज उतना ही अच्छा प्रदर्शन कर रहा था जितना कि रासायनिक आपूर्तिकर्ता से खरीदा गया उच्च-शुद्धता वाला सेलुलोज। यह इंगित करता है कि फेंके गए वस्त्र इन फ्लोकुलेंट्स के लिए एक व्यवहार्य स्रोत हो सकते हैं, बशर्ते कि प्रक्रिया के दौरान सूक्ष्म प्लास्टिक (microplastics) के रूप में पुनः प्रवेश को रोकने के लिए छोटे पॉलिएस्टर रेशों को छान लिया जाए। हालांकि एल्केलाइन घोल के उपयोग के लिए बाद में पानी को उदासीन (neutralize) करने के लिए थोड़े से एसिड की आवश्यकता होती है, शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि यह बदलाव स्थायी सिंथेटिक प्लास्टिक से एक सुरक्षित, बायोडिग्रेडेबल पॉलीमर की ओर एक सकारात्मक बदलाव है। खनिज और सेलुलोज के इन गुच्छों का उपयोग कागज उत्पादों में फिलर सामग्री के रूप में किया जा सकता है, जिससे खनन अपशिष्ट को एक संसाधन में बदला जा सकता है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि एक सरल, वनस्पति-आधारित दृष्टिकोण प्रभावी रूप से औद्योगिक खनिज जल को साफ करने की कठिन समस्या से निपट सकता है, जो वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले सिंथेटिक रसायनों का एक टिकाऊ विकल्प प्रदान करता है।