Synthesis of mesoporous SiO 2 derived from coal fly ash for methylene blue adsorption
यह अध्ययन चरण पृथक्करण (फेज सेपरेशन) और अम्ल लीचिंग के माध्यम से कोल फ्लाई ऐश से उच्च-सतह-क्षेत्रफल वाले मेसोपोरस सिलिका के सफल संश्लेषण को प्रदर्शित करता है, जो अपशिष्ट जल से मेथिलीन ब्लू को हटाने के लिए एक कम लागत वाले अधिशोषक के रूप में प्रभावी ढंग से कार्य करता है, जिससे एक "अपशिष्ट-से-अपशिष्ट-उपचार" रणनीति के माध्यम से औद्योगिक अपशिष्ट के संसाधन उपयोग को बढ़ावा मिलता है।
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जब भी एक कोयला दहन बिजली संयंत्र बिजली उत्पन्न करने के लिए ईंधन जलाता है, तो यह अपने पीछे एक महीन, धूसर पाउडर छोड़ देता है जिसे कोल फ्लाई ऐश (कोयला उड़ राख) कहा जाता है। दशकों से, इस सामग्री को एक अपशिष्ट उत्पाद के रूप में माना जाता रहा है, जिसे अक्सर लैंडफिल में दबा दिया जाता है या सड़क के आधार भरने जैसे कम मूल्य वाले अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है। फिर भी, इस धूसर धूल के भीतर सिलिकॉन का एक खजाना छिपा है, वही तत्व जो समुद्र तट की रेत और खिड़की के कांच में मौजूद होता है। पर्यावरण विज्ञान की दुनिया में, चुनौती लंबे समय से यह रही है कि इस प्रचुर मात्रा में उपलब्ध कचरे को बिना बहुत अधिक खर्च किए उपयोगी चीज़ में कैसे बदला जाए। लक्ष्य ऐसी सामग्रियां बनाना है जिनमें एक विशाल आंतरिक सतह क्षेत्र हो, जो छोटे छिद्रों से भरा हो जो एक स्पंज की तरह काम कर सकें और पानी से प्रदूषकों को सोख सकें। जब ये छिद्र सही आकार के हों और सतह रासायनिक रूप से ट्यून की गई हो, तो यह सामग्री विशिष्ट संदूषकों, जैसे कि कपड़ा मिलों में उपयोग किए जाने वाले चमकीले नीले रंगों को पकड़ सकती है, और उन्हें पर्यावरण को नुकसान पहुँचाने से पहले पानी से बाहर निकाल सकती है।
चीन के विश्वविद्यालयों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस कोयला कचरे को एक अत्यधिक प्रभावी सफाई एजेंट में बदलने का एक नया तरीका खोज निकाला है। उन्होंने उस कोयला फ्लाई ऐश से शुरुआत की जिसे अशुद्धियों को दूर करने के लिए पहले ही संसाधित किया जा चुका था, जिससे पीछे एक सिलिका-समृद्ध पाउडर बचा था। इस पाउडर का सीधे उपयोग करने के बजाय, उन्होंने इसे एक नया, इंजीनियर किया गया पदार्थ बनाने के लिए एक कच्चे घटक के रूप में उपयोग किया। पाउडर को सामान्य रसायनों के साथ मिलाने और दबाव में गर्म करने के माध्यम से, उन्होंने सिलिकॉन परमाणुओं को खुद को एक संरचित, स्पंज जैसी आकृति में पुनर्गठित करने के लिए प्रेरित किया। इस प्रक्रिया ने एक ऐसी सामग्री बनाई जिसमें छोटे, आपस में जुड़े हुए सुरंगों का एक नेटवर्क था, जो इसे इतना बड़ा सतह क्षेत्र प्रदान करता था कि यदि एक ग्राम को फैलाया जाए, तो वह एक महत्वपूर्ण फर्श क्षेत्र को कवर कर सकता था। शोधकर्ताओं ने फिर इस नई सामग्री का परीक्षण करने के लिए इसे मेथिलीन ब्लू नामक एक सामान्य नीले रंग वाले पानी में डाला और देखा कि यह सामग्री रंग को कितना सोख सकती है।
परिणामों से पता चला कि सामग्री को पकाने के लिए उपयोग की गई स्थितियां अत्यंत महत्वपूर्ण थीं। टीम ने सटीक रेसिपी खोजने के लिए रसायनों की विभिन्न मात्रा, तापमान और पकाने के समय के साथ प्रयोग किया। उन्होंने पाया कि मिश्रण को एक विशिष्ट तापमान पर एक सटीक समय के लिए गर्म करने से सबसे अधिक छिद्रपूर्ण संरचना तैयार हुई। इस सामग्री के सर्वोत्तम संस्करण का सतह क्षेत्र 774.42 वर्ग मीटर प्रति ग्राम था, जिसमें छिद्रों की औसत चौड़ाई 7.27 नैनोमीटर थी। इस पैमाने को समझने के लिए, एक नैनोमीटर इतना छोटा है कि एक मानव बाल इन छिद्रों में से एक से लगभग 80,000 गुना अधिक चौड़ा होता है। इस विशिष्ट संरचना ने सामग्री को नीले रंग की एक उल्लेखनीय मात्रा को धारण करने की अनुमति दी। उच्च सांद्रता वाले नीले रंग के घोल में रखे जाने पर, सामग्री ने सामग्री के प्रत्येक ग्राम के वजन के लिए 186.81 मिलीग्राम तक डाई को अवशोषित किया। यह प्रदर्शन कच्चे, बिना संसाधित फ्लाई ऐश की तुलना में कहीं बेहतर था, जिसने उस मात्रा के आधे से भी कम को अवशोषित किया था, और इसने पिछले अध्ययनों में रिपोर्ट की गई कई अन्य सिलिका सामग्रियों को भी पीछे छोड़ दिया।
सामग्री का व्यवहार उस पानी के वातावरण पर निर्भर करता था जिसे वह साफ कर रही थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि सामग्री तब सबसे अच्छा काम करती है जब पानी क्षारीय, या बेसिक हो, विशेष रूप से pH स्तर 11 पर। इन स्थितियों में, सामग्री की सतह ऋणात्मक रूप से आवेशित (negatively charged) हो जाती है, जो धनात्मक रूप से आवेशित डाई अणुओं के लिए एक चुंबक की तरह कार्य करती है, और उन्हें मजबूती से अपनी ओर खींचती है। इसके विपरीत, जब पानी को गर्म किया गया, तो सामग्री डाई को पकड़ने में कम प्रभावी हो गई, जिससे पता चलता है कि डाई को पकड़ने की प्रक्रिया ऊष्मा छोड़ती है और ठंडे तापमान पर बेहतर काम करती है। यह सामग्री तेजी से काम करती थी, और दो घंटे के भीतर अपनी अधिकतम अवशोषण क्षमता तक पहुँच जाती थी। डेटा का विश्लेषण करके, शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि डाई के अणु सामग्री की सतह पर एक एकल, समान परत बनाते हैं, न कि गुच्छों में जमा होते हैं, और यह प्रक्रिया सामग्री की सतह पर विशिष्ट सक्रिय स्थलों पर होने वाली रासायनिक अंतःक्रियाओं द्वारा संचालित होती है।
यह अध्ययन एक सामान्य औद्योगिक अपशिष्ट उत्पाद को पानी को साफ करने के लिए एक उच्च-प्रदर्शन वाले उपकरण में बदलने का एक व्यावहारिक मार्ग प्रदर्शित करता है। कोयला फ्लाई ऐश को एक विशेष मेसोपोरस सिलिका में बदलकर, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि कचरे को दूसरे प्रकार के कचरे के समाधान के रूप में कैसे अपसाइकिल (upcycle) किया जा सकता है। सामग्री एक परीक्षण समाधान से नीले रंग को हटाने में सक्षम सिद्ध हुई, जिसने इष्टतम परिस्थितियों के तहत 98 प्रतिशत से अधिक की निष्कासन दक्षता प्राप्त की। हालांकि यह अध्ययन एक विशिष्ट डाई पर केंद्रित था, इस पद्धति की सफलता यह सुझाव देती है कि अन्य प्रदूषकों को लक्षित करने के लिए इसी तरह के दृष्टिकोण विकसित किए जा सकते हैं। यह कार्य एक "कचरे से कचरे के उपचार" (waste-to-treat-waste) की रणनीति को उजागर करता है, जहाँ मानव उद्योग के एक उपोत्पाद को दूसरे द्वारा उत्पन्न समस्या को हल करने के लिए रूपांतरित किया जाता है, जो संसाधनों के अधिक चक्रीय और कुशल उपयोग की एक झलक देता है।
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