Heavy Metal Removal from Electroplating Wastewater Using Polymer Ligand Composed of Bamboo Cellulose

जल उपचार की दुनिया की कल्पना एक विशाल, अस्त-व्यस्त रसोई के रूप में करें जहाँ औद्योगिक कारखानों ने चमकदार, जहरीले कंफेटी (रंगीन कागज के टुकड़ों) की एक बाल्टी गिरा दी है। यह "कंफेटी" तांबा, लोहा और जिंक जैसे भारी धातुओं से बनी है—ऐसे तत्व जो इलेक्ट्रॉनिक्स बनाने या मजबूत धातु के पुर्जे बनाने के लिए कारखानों में उपयोगी हैं, लेकिन यदि वे हमारी नदियों या पीने के पानी में पहुँच जाएँ तो खतरनाक जहर बन जाते हैं। लंबे समय से, वैज्ञानिक इसे साफ करने के लिए ऐसी विधियों का उपयोग करने की कोशिश कर रहे हैं जो या तो बहुत महंगी हैं, या बहुत अव्यवस्थित हैं, या फिर हर एक कण को पकड़ने में बहुत अच्छी नहीं हैं।

यहाँ "अधिशोषण" (adsorption) की दुनिया में प्रवेश करें, जो एक फैंसी शब्द है एक चिपचिपे जाल के लिए। इसे एक विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए वेल्क्रो स्ट्रिप (velcro strip) की तरह समझें जिसे पानी में तैरते हुए धातु आयनों (छोटे आवेशित कणों) को पकड़ने के लिए बनाया गया है। सबसे अच्छे जाल अक्सर प्राकृतिक सामग्रियों से बने होते हैं क्योंकि वे सस्ते होते हैं और जब हम उन्हें फेंक देते हैं तो अधिक प्रदूषण पैदा नहीं करते हैं। प्रकृति के सबसे अच्छे निर्माण खंडों में से एक सेलुलोज है, वह पदार्थ जिससे पौधों की कठोर दीवारें बनती हैं। यह एक पेड़ के लकड़ी के कंकाल या बांस के तने जैसा है। लेकिन कच्चा सेलुलोज थोड़ा साधारण है; यह एक साधारण वेल्क्रो स्ट्रिप की तरह है जो उस विशिष्ट जहरीले कंफेटी को पकड़ने के लिए बहुत अच्छी तरह से नहीं चिपकता जिसे हम पकड़ना चाहते हैं। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक सेलुलोज पर रासायनिक रूप से नए, सुपर-चिपचिपे हाथ "ग्राफ्ट" (graft) कर सकते हैं, जिससे एक साधारण पौधे के रेशे को एक हाई-टेक मेटल मैग्नेट में बदला जा सकता है।

यह शोध पत्र बताता है कि कैसे वैज्ञानिकों की एक टीम ने औद्योगिक अपशिष्ट जल को साफ करने के लिए एक साधारण बांस के तने को एक सुपर-सुपरहीरो में बदल दिया। उन्होंने बांस से शुरुआत की, जो एक तेजी से बढ़ने वाला पौधा है और सेलुलोज से भरपूर है। सबसे पहले, उन्होंने बांस की बाहरी परतों (जैसे लिग्निन और हेमीसेलुलोज) को हटाकर शुद्ध, सफेद सेलुलोज फाइबर प्राप्त किया। फिर, उन्होंने "फ्री रेडिकल ग्राफ्टिंग" नामक एक रासायनिक जादू का प्रदर्शन किया। कल्पना कीजिए कि आप बांस के रेशों को एक्रिलोनाइट्राइल (acrylonitrile), एक रासायनिक मोनोमर के घोल में डुबो रहे हैं। एक विशेष इनीशिएटर (सेरिक आयन) का उपयोग करके, उन्होंने एक ऐसी प्रतिक्रिया को प्रेरित किया जिसने इस नए प्लास्टिक की लंबी श्रृंखलाओं को सीधे बांस के रेशों से उगने के लिए मजबूर किया, जैसे पेड़ के तने से बेलें निकल रही हों। इसने एक नई सामग्री बनाई: पॉली(एक्रिलोनाइट्राइल)-ग्राफ्ट-सेलुलोज।

लेकिन काम अभी खत्म नहीं हुआ था। ये प्लास्टिक की बेलें अच्छी थीं, लेकिन उन्हें भारी धातुओं को पकड़ने के लिए और भी अधिक चिपचिपा होने की आवश्यकता थी। शोधकर्ताओं ने अपनी नई सामग्री को हाइड्रोक्सिलमाइन (hydroxylamine) नामक एक रसायन के साथ उपचारित किया। इस चरण ने प्लास्टिक की इन बेलों के सिरों को "अमिडॉक्सिम" (amidoxime) समूहों में बदल दिया। आप अमिडॉक्सिम को तीन-प्रोंग वाले छोटे पंजों के रूप में समझ सकते हैं। ये पंजे विशेष रूप से धातु आयनों को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, जो एक सख्त, पांच-सदस्यीय रिंग लॉक बनाते हैं जो धातु को अपनी जगह पर थामे रखता है। परिणाम एक पॉलीमर लिगैंड (polymer ligand) था—एक बांस-आधारित, पंजों वाला जाल जो प्रदूषण को पकड़ने के लिए तैयार है।

टीम ने इस नई सामग्री का परीक्षण किया। उन्होंने इसे लोहे, जिंक, तांबे, निकल और कोबाल्ट जैसी विभिन्न भारी धातुओं वाले पानी में डाला। उन्होंने पाया कि यह सामग्री तब सबसे अच्छा काम करती है जब पानी थोड़ा कम अम्लीय (लगभग pH 6) होता है। इस स्तर पर, "पंजे" पूरी तरह खुले होते हैं और पकड़ने के लिए तैयार होते हैं। परिणाम प्रभावशाली थे। बांस-आधारित जाल भारी मात्रा में धातु को पकड़ सकता है। उदाहरण के लिए, यह सामग्री के प्रत्येक एक ग्राम के लिए 311.6 मिलीग्राम तांबा और 288.5 मिलीग्राम लोहा पकड़ सकती है। यह एक स्पंज की तरह था जो अपने वजन से अधिक पानी सोख सकता है, लेकिन जहरीली धातुओं के लिए।

यह समझने के लिए कि यह जाल कैसे काम करता है, वैज्ञानिकों ने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और संरचना का विश्लेषण करने के लिए प्रकाश किरणों का उपयोग किया। उन्होंने देखा कि रासायनिक उपचारों के बाद बांस के रेशे खुरदरी, लकड़ी जैसी बनावट से बदलकर चिकने, गोलाकार कणों वाली सतह में बदल गए थे। जब उन्होंने सामग्री को तांबे से लोड किया, तो वे कण आपस में जुड़ गए, जिससे यह सिद्ध हुआ कि धातु वास्तव में पकड़ा गया था और मजबूती से थमा हुआ था। उन्होंने इलेक्ट्रॉनों की जांच करने के लिए एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक का भी उपयोग किया। उन्होंने देखा कि जब तांबा पकड़ा गया, तो नाइट्रोजन और ऑक्सीजन परमाणुओं के ऊर्जा स्तरों में बदलाव आया, जिससे पुष्टि हुई कि बांस-जाल और धातु के बीच एक मजबूत रासायनिक बंधन बना है।

शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि अलग-अलग मात्रा में धातु होने पर सामग्री कैसा व्यवहार करती है। उन्होंने पाया कि अधिशोषण (adsorption) एक "लैंगमुइर" (Langmuir) मॉडल का पालन करता है। सरल शब्दों में, इसका अर्थ है कि धातु आयन सामग्री की सतह पर एक एकल, व्यवस्थित परत में कतारबद्ध होते हैं, जैसे पार्किंग स्थल में कारों की एक एकल पंक्ति में पार्क होती है, न कि एक दूसरे के ऊपर ढेर होकर। डेटा इस मॉडल में पूरी तरह फिट बैठता है, जो बताता है कि सामग्री की सतह बहुत ही समान है जहाँ हर स्थान धातु को पकड़ने के लिए समान रूप से अच्छा है।

अंत में, टीम ने अपनी नई बांस-जाल को वास्तविक दुनिया में परखा। उन्होंने सिंगापुर में एक इलेक्ट्रोप्लेटिंग फैक्ट्री के वास्तविक अपशिष्ट जल पर इसका परीक्षण किया। यह पानी विभिन्न धातुओं का मिश्रण था। परिणाम आश्चर्यजनक थे: सामग्री ने पानी से तांबे और लोहे को 98% से अधिक निकाल दिया। इसने अन्य धातुओं के साथ भी बहुत अच्छा काम किया, जिसमें निकल, क्रोमियम और लेड को हटाने में 70% से 95% के बीच की सफलता मिली। हालांकि यह सोडियम या मैग्नीशियम जैसी कुछ हल्की धातुओं को पकड़ने में उतना प्रभावी नहीं था, लेकिन खतरनाक भारी धातुओं को निकालने की इसकी क्षमता उत्कृष्ट थी।

निष्कर्षतः, यह शोध पत्र दिखाता है कि हम एक सामान्य, तेजी से बढ़ने वाले पौधे जैसे बांस को औद्योगिक प्रदूषण को साफ करने के लिए एक अत्यधिक प्रभावी, पर्यावरण के अनुकूल उपकरण में बदल सकते हैं। बांस पर प्लास्टिक श्रृंखलाओं को ग्राफ्ट करके और फिर उन श्रृंखलाओं को धातु पकड़ने वाले पंजों में बदलकर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी सामग्री बनाई जो न केवल शक्तिशाली है बल्कि टिकाऊ भी है। यह सुझाव देता है कि हमें पर्यावरणीय समस्याओं को हल करने के लिए हमेशा उच्च-तकनीकी, महंगी सिंथेटिक सामग्रियों की आवश्यकता नहीं होती है; कभी-कभी, हमें बस प्रकृति को थोड़े रासायनिक अपग्रेड की आवश्यकता होती है। सामग्री ने वास्तविक अपशिष्ट जल से 99% तक धातुओं को रिकवर करने की क्षमता प्रदर्शित की, जो स्वच्छ पानी और मूल्यवान धातुओं को वापस अर्थव्यवस्था में पुनर्चक्रित करने के तरीके की ओर एक आशाजनक मार्ग प्रदान करती है।