Experimental and thermodynamic investigation of ash chemistry and combustion conditions governing biogenic silica production from agricultural biomass residues
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि सिट्रिक एसिड प्रीट्रीटमेंट को अनुकूलित दहन स्थितियों (550-650°C के लिए 2 घंटे) के साथ संयोजित करने से विभिन्न कृषि अवशेषों से बायोजेनिक सिलिका की प्राप्ति और गुणवत्ता में उल्लेखनीय वृद्धि होती है, जबकि क्षारीय सामग्री को कम करके स्लैगिंग जोखिमों को प्रभावी ढंग से कम किया जाता है।
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सामग्री विज्ञान (मटेरियल्स साइंस) की दुनिया की कल्पना एक विशाल, हलचल भरी रसोई के रूप में करें। दशकों से, शेफ 'सिलिका' नामक एक महत्वपूर्ण सामग्री बना रहे हैं—वह चीज़ जो कांच को मजबूती देती है और कंप्यूटर चिप्स बनाने में मदद करती है—इसे चट्टानों को खोदकर या बहुत गर्म, ऊर्जा-खपत करने वाले ओवन में रसायनों को मिलाकर बनाया जाता है। यह प्रभावी तो है, लेकिन यह अव्यवस्थित है और इससे कार्बन का भारी पदचिह्न (कार्बन फुटप्रिंट) छूटता है। लेकिन क्या होगा अगर हम इस सामग्री को अपने कचरे में पा सकें? प्रकृति ने पहले ही सिलिका से भरपूर पौधे, जैसे मक्का और कसावा (cassava), उगाने का कठिन काम कर लिया है। समस्या यह है कि जब हम इन पौधों को सिलिका प्राप्त करने के लिए जलाते हैं, तो "रसोई" गंदी हो जाती है। पौधों में सूक्ष्म, अदृश्य "ग्रीस" कण (पोटेशियम और कैल्शियम जैसे खनिज) होते हैं जो कम तापमान पर पिघल जाते हैं। जब वे पिघलते हैं, तो वे एक सुपर-गोंद की तरह काम करते हैं, सिलिका कणों को आपस में चिपका देते हैं और एक फूले हुए, छिद्रपूर्ण स्पंज को एक कठोर, बेकार पत्थर में बदल देते हैं। यह शोध एक रेसिपी की खोज है: यह समझने की कोशिश करता है कि इन पौधों के अवशेषों को ठीक से कैसे पकाया जाए ताकि हमें एक सख्त ईंट के बजाय एक फूला हुआ, उच्च गुणवत्ता वाला सिलिका स्पंज मिले, और इसमें बहुत अधिक ऊर्जा का उपयोग न हो या कोई गंदगी भी न फैले।
इस अध्ययन के शोधकर्ताओं ने पांच अलग-अलग प्रकार के कृषि अवशेषों—कसावा के छिलके, यम (yam) के छिलके, नारियल के छ壳 (husks), मक्के के डंठल और मक्के के छिलके—का परीक्षण करने का निर्णय लिया, जिन्हें अक्सर घाना जैसी जगहों पर फेंका जाता है या खुले में जला दिया जाता है। वे यह देखना चाहते थे कि क्या वे इन अवशेषों को उच्च-मूल्य वाले सिलिका में बदल सकते हैं। सबसे पहले, उन्होंने 'साइट्रिक एसिड' (वही एसिड जो नींबू और नारंगी में पाया जाता है) का उपयोग करके एक "प्री-वॉश" (पूर्व-धुलाई) का परीक्षण किया ताकि उन चिपचिपे, पिघलने वाले खनिजों को साफ किया जा सके। फिर, उन्होंने नमूनों को एक भट्टी में डाला, जिसमें वे दो मुख्य नियंत्रणों (knobs) के साथ प्रयोग कर रहे थे: तापमान (गर्मी कितनी है) और समय (यह कितनी देर तक रहता है)। उन्होंने यह देखने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन और सांख्यिकीय उपकरणों का उपयोग किया कि राख कैसे व्यवहार करती है, जिससे उस "गोल्डिलॉक्स" (Goldilocks) क्षेत्र की तलाश की जा सके जहाँ सिलिका शुद्ध और छिद्रपूर्ण बनी रहे।
परिणाम काफी स्पष्ट थे। साइट्रिक एसिड के साथ "प्री-वॉश" एक गेम-चेंजर साबित हुआ। इसने एक गहरे-सफाई एजेंट के रूप में कार्य किया, चिपचिपे खनिजों को हटा दिया और राख में सिलिका की मात्रा को बढ़ा दिया। उदाहरण के लिए, मक्के के छिलकों में, धोने के बाद सिलिका लगभग 40% से बढ़कर 70% से अधिक हो गई। इस धुलाई के बिना, "ग्रीस" वाले खनिज जल्दी पिघल जाते, जिससे सिलिका आपस में गुंथ जाती और अपनी उपयोगी स्पंज जैसी संरचना खो देती। अध्ययन में पाया गया कि सबसे महत्वपूर्ण कारक केवल यह नहीं था कि राख को कितनी देर तक पकाया गया, बल्कि यह था कि वह कितनी गर्म हुई। यदि तापमान बहुत अधिक हो जाता, तो सिलिका 'सिंटर' (जुड़कर एक हो जाना) हो जाती और अपने छिद्र खो देती, ठीक वैसे ही जैसे एक मार्शमैलो आग के ऊपर बहुत देर तक रखने पर एक कठोर, चपटी डिस्क बन जाता है।
प्रयोगों और कंप्यूटर मॉडलिंग के मिश्रण का उपयोग करते हुए, टीम ने पकाने के लिए एक विशिष्ट "स्वीट स्पॉट" (सही संतुलन) की पहचान की। उन्होंने पाया कि तापमान को 550 °C और 650 °C के बीच रखना और लगभग 2 घंटे तक पकाना सबसे सटीक संतुलन है। इस अवधि में, जैविक वनस्पति सामग्री साफ तरीके से जल जाती है, लेकिन तापमान इतना अधिक नहीं होता कि सिलिका को एक ठोस ब्लॉक में पिघला दे। अध्ययन बताता है कि यदि आप इससे अधिक गर्म जाते हैं, तो सिलिका का सतह क्षेत्र (surface area) नाटकीय रूप से गिर जाता है, जिससे यह फिल्टर करने या उत्प्रेरण (catalysis) जैसे कार्यों के लिए कम उपयोगी हो जाता है। उन्होंने यह भी नोट किया कि विभिन्न पौधों का व्यवहार थोड़ा अलग था; कुछ, जैसे मक्के के छिलके, अधिक सहिष्णु थे और विभिन्न स्थितियों को संभाल सकते थे, जबकि अन्य, जैसे कसावा के छिलके, अधिक संवेदनशील थे और उन्हें स्लैग (slag) बनने से रोकने के लिए कड़े नियंत्रण की आवश्यकता थी।
अंततः, यह शोध हमें केवल यह नहीं बताता कि सिलिका कैसे बनाई जाए; यह हमें यह बताता है कि कचरे से इसे बेहतर ढंग से कैसे बनाया जाए। एक साधारण एसिड वॉश और सावधानीपूर्वक नियंत्रित पकाने के तापमान को जोड़कर, हम कम उपयोग किए जाने वाले कृषि कचरे को एक उच्च-गुणवत्ता वाली सामग्री में बदल सकते हैं। अध्ययन पुष्टि करता है कि हालांकि पौधे का प्रकार मायने रखता है, लेकिन पकाने का तापमान रसोई का बॉस है। यदि आप गर्मी को सही रखते हैं, तो आप छिलकों और अवशेषों के ढेर को एक मूल्यवान, छिद्रपूर्ण सामग्री में बदल सकते हैं, जिससे एक कचरे की समस्या का समाधान होता है और एक संसाधन भी बनता है, और वह भी पारंपरिक सिलिका उत्पादन की भारी ऊर्जा लागत के बिना।
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