Cerium oxide modified biochar as an adsorbent for efficient phosphorus recovery

दुनिया की झीलों और नदियों की कल्पना एक विशाल, साफ स्विमिंग पूल के रूप में करें। अब, कल्पना करें कि कोई उनमें एक विशेष प्रकार का अदृश्य उर्वरक डालना शुरू कर देता है। शुरू में, यह हानिरहित लगता है, लेकिन यह उर्वरक वास्तव में एल्गी (algae) नामक सूक्ष्म, अदृश्य पौधों के लिए एक सुपर-फूड है। जब इसकी मात्रा बहुत अधिक हो जाती है, तो एल्गी बेकाबू हो जाती है, इतनी तेज़ी से बढ़ती है कि वे पानी को हरा और गाढ़ा कर देती हैं, जिससे सूरज की रोशनी रुक जाती है और सारा ऑक्सीजन सोख लिया जाता है। इसे "यूट्रोफिकेशन" (eutrophication) कहा जाता है, और यह मछलियों और अन्य जलीय जीवों के लिए एक ट्रैफिक जाम की तरह है, जो अक्सर जहरीले ब्लूम (blooms) का कारण बनता है जिससे लोग बीमार पड़ सकते हैं यदि वे उस पानी को पीते हैं या समुद्री भोजन खाते हैं। वैज्ञानिक इस अपराधी को "फास्फोरस" कहते हैं, जो उर्वरकों और डिटर्जेंट में पाया जाने वाला एक सामान्य तत्व है। बड़ी चुनौती यह है कि जबकि हमें पारिस्थितिकी तंत्र को बचाने के लिए पानी से इस फास्फोरस को बाहर निकालने की आवश्यकता है, हम इसे पकड़ना भी चाहते हैं ताकि हम इसे केवल फेंकने के बजाय एक संसाधन के रूप में पुन: उपयोग कर सकें।

इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर "एडसॉर्बेंट्स" (adsorbents) का उपयोग करते हैं, जो बड़े, सूक्ष्म स्पंज की तरह होते हैं जो प्रदूषकों को पकड़ लेते हैं। एक लोकप्रिय प्रकार का स्पंज "बायोचार" (biochar) है, जो मूल रूप से कम ऑक्सीजन वाले ओवन में पौधों के कचरे (जैसे बांस) को जलाकर बनाया गया चारकोल है। यह सस्ता है और इसमें चीजों को फँसाने के लिए बहुत सारे छोटे छेद हैं। लेकिन कभी-कभी, सादा बायोचार फास्फोरस को तेज़ी से पकड़ने या उसे मजबूती से थामे रखने के लिए पर्याप्त चिपचिपा नहीं होता है। यहीं से एक नए, सुपर-चार्ज्ड स्पंज की कहानी शुरू होती है। शोधकर्ताओं ने सोचा: क्या होगा यदि हम इस वनस्पति-आधारित चारकोल को एक विशेष धातु के साथ कोट (coat) कर सकें जो फास्फोरस के लिए एक बेहतरीन "चुंबक" के रूप में जानी जाती है? उन्होंने सेरियम (cerium) को चुना, जो एक दुर्लभ-पृथ्वी धातु है, और यह देखने का निर्णय लिया कि क्या इसके नैनोकणों में बदलकर और बांस के बायोचार पर चिपकाकर वे एक सुपरहीरो सामग्री बना सकते हैं जो पानी को साफ कर सके।

यह शोध पत्र इस टीम की कहानी बताता है कि कैसे उन्होंने इस नई सामग्री बनाई, जिसे उन्होंने "Ce-BC" (सेरियम-मॉडिफाइड बायोचार) नाम दिया, और यह परीक्षण करने के लिए कि क्या यह वास्तव में वह नायक है जिसकी हमें आवश्यकता है। उन्होंने बांस की बाहरी परत लेने, उसे पीसने और आधार बायोचार बनाने के लिए 400°C पर बेक करने से शुरुआत की। फिर, उन्होंने एक विशेष "हाइड्रोथर्मल" (hydrothermal) विधि का उपयोग किया—मूल रूप से मिश्रण को पानी और रसायनों के साथ एक सीलबंद, उच्च-दबाव वाले बर्तन में पकाने जैसा—जिससे चारकोल की सतह पर सीधे नन्हे सेरियम ऑक्साइड नैनोकण उगाए जा सके। इसे एक टुकड़े चारकोल पर सुपर-चिपचिपे ग्लिटर (glitter) छिड़कने की तरह समझें; ग्लिटर (सेरियम) केवल ऊपर नहीं बैठता; यह चारकोल के साथ जुड़ जाता है ताकि एक नई, अधिक शक्तिशाली सतह बन सके।

जब उन्होंने एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (SEM) के नीचे अपनी रचना को देखा, तो अंतर स्पष्ट था। सादा बांस का चारकोल एक खुरके, छिद्रपूर्ण पत्थर जैसा दिख रहा था। नया Ce-BC, हालांकि, सूक्ष्म कणों की एक समान परत से ढका हुआ था, जिससे पुष्टि हुई कि सेरियम सफलतापूर्वक इसकी सतह पर स्थापित हो गया है। उन्होंने सामग्री के "डीएनए" की जांच करने के लिए अन्य उपकरणों का भी उपयोग किया: इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी ने दिखाया कि सतह पर रासायनिक समूह बदल गए थे, और एक्स-रे विश्लेषण ने साबित किया कि सेरियम एक विशिष्ट क्रिस्टल संरचना (क्यूबिक फ्लोराइट) के रूप में वहां मौजूद था, न कि केवल ढीले रूप में तैर रहा था।

असली परीक्षा तब आई जब उन्होंने इस नए स्पंज को फास्फोरस युक्त पानी में डाला। परिणाम प्रभावशाली थे। जबकि सादा बांस का चारकोल कुछ फास्फोरस को पकड़ सकता था, Ce-BC बहुत तेज़ था और इसने इसे अधिक मजबूती से थामे रखा। वास्तव में, नई सामग्री ने लगभग 8 घंटों में अपनी अधिकतम पकड़ क्षमता प्राप्त कर ली, और सामग्री के प्रति ग्राम लगभग 11 मिलीग्राम फास्फोरस को थामे रखा, जबकि सादे संस्करण के लिए यह केवल 9 मिलीग्राम था। लेकिन सबसे रोमांचक बात यह थी कि यह कैसे काम करता था। सादा चारकोल मुख्य रूप से भौतिक ट्रैपिंग (physical trapping) पर निर्भर था, जैसे मछली पकड़ने वाला जाल। Ce-BC, इसके सेरियम कोटिंग के कारण, एक रासायनिक चुंबक की तरह कार्य करता था। डेटा ने दिखाया कि यह प्रक्रिया "केमिसॉर्प्शन" (chemisorption) थी, जिसका अर्थ है कि फास्फोरस ने वास्तव में सेरियम के साथ एक रासायनिक बंधन बनाया, जिससे फास्फोरस का निकलना बहुत कठिन हो गया।

शोधकर्ताओं ने विभिन्न स्थितियों के साथ भी प्रयोग किया ताकि यह देख सकें कि यह स्पंज कैसे व्यवहार करता है। उन्होंने पाया कि यह सामग्री थोड़े अम्लीय पानी (लगभग pH 5) में सबसे अच्छा काम करती है, जहाँ स्पंज की सतह धनात्मक रूप से आवेशित (positively charged) होती है, जो ऋणात्मक रूप से आवेशित फास्फोरस आयनों को चुंबक के विपरीत ध्रुवों की तरह आकर्षित करती है। उन्होंने यह भी खोजा कि स्पंज गर्म पानी में और भी बेहतर काम करता है, जिससे पता चलता है कि यह प्रक्रिया ऊष्मा को अवशोषित करती है। शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए, उन्होंने परीक्षण किया कि क्या इस स्पंज का पुन: उपयोग किया जा सकता है। पकड़े गए फास्फोरस को छोड़ने के लिए एक हल्के सफाई समाधान (सोडियम हाइड्रोक्साइड) के साथ इसे धोने के बाद, स्पंज का बार-बार उपयोग किया जा सकता है। आठ पूर्ण चक्रों के बाद भी, जिसमें पकड़ने और छोड़ने की प्रक्रिया शामिल थी, इसने अपनी मूल शक्ति का 80% से अधिक बनाए रखा।

अंत में, यह शोध पत्र सुझाव देता है कि यह सेरियम-कोटेड बांस का चारकोल एक आशाजनक उपकरण है। यह केवल फास्फोरस को पकड़ता ही नहीं है; यह पानी के साथ बायोचार की परस्पर क्रिया को बदल देता है, जिससे यह एक साधारण भौतिक जाल से एक परिष्कृत रासायनिक पकड़ने वाले यंत्र में बदल जाता है। हालांकि लेखक नोट करते हैं कि हमारे हर नदी और झील के लिए तैयार होने से पहले इस पर और काम करने की आवश्यकता है, उनके निष्कर्ष बेहतर, पुन: प्रयोज्य सामग्रियां डिजाइन करने के लिए एक मजबूत ब्लूप्रिंट प्रदान करते हैं जो हमारे पानी को साफ कर सकें और मूल्यवान संसाधनों को पुनः प्राप्त कर सकें, जिससे प्रदूषण की समस्या को एक संभावित समाधान में बदला जा सके।