Hydrogen Peroxide Modified Acetylene Black Improves Desalination of Circulating Water

महान जल बचाव: बिजली संयंत्रों को थोड़ी मदद की आवश्यकता क्यों है

कल्पना कीजिए कि दुनिया की नदियाँ और झीलें एक विशाल, साझा बाथटब की तरह हैं। लंबे समय से, हम इसे कारखानों और बिजली संयंत्रों से आने वाले साबुन वाले, नमकीन पानी से भरते रहे हैं, जिससे सभी के लिए ताज़ा, साफ पानी ढूंढना कठिन होता जा रहा है। सबसे बड़े जल उपभोक्ताओं में से एक बिजली उद्योग है। बिजली चालू रखने के लिए, बिजली संयंत्रों को अपनी मशीनरी को ठंडा करने के लिए भारी मात्रा में पानी की आवश्यकता होती है, लेकिन यह पानी नमकीन और गंदा हो जाता है, और अक्सर इसे साफ करने और पुन: उपयोग करने के बजाय फेंक दिया जाता है। यह एक बड़ी समस्या है क्योंकि हर जगह ताज़ा पानी कम होता जा रहा है।

इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक एक चतुर तकनीक की ओर देख रहे हैं जिसे "फ्लो-इलेक्ट्रोड कैपेसिटिव डीआयोनाइजेशन" (FCDI) कहा जाता है। इसे एक उच्च-तकनीकी स्पंज की तरह समझें जो केवल स्थिर नहीं रहता; यह बहता है! इस प्रणाली में, एक ठोस स्पンジ के बजाय, आपके पास कार्बन कणों से बना एक तरल सूप होता है। जब आप इस सूप से बिजली प्रवाहित करते हैं, तो कण छोटे चुंबकों की तरह काम करते हैं, पानी से नमक के आयनों को पकड़ लेते हैं और उन्हें कसकर थाम लेते हैं। लक्ष्य नमकीन, बेकार पानी को फिर से ताजे पानी में बदलना है जिसका उपयोग किया जा सके। लेकिन इसमें एक पेंच है: "स्पंज" वाले सूप के कण कभी-कभी चिपचिपे होकर आपस में जुड़ जाते हैं, या वे कुशलता से काम करने के लिए पर्याप्त बिजली का संचालन भी नहीं कर पाते हैं। वैज्ञानिक इस सूप का सही मिश्रण खोजने की कोशिश कर रहे हैं ताकि यह बेहतर, तेज़ और सस्ता तरीके से काम कर सके।

चिपचिपाहट की समस्या और जादुई मिश्रण

इस नए अध्ययन में, नॉर्थ चाइना इलेक्ट्रिक पावर यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने उस "स्पंज सूप" के एक विशिष्ट घटक पर ध्यान केंद्रित किया: एक सामग्री जिसे एसिटिलीन ब्लैक कहा जाता है। आप एसिटिलीन ब्लैक को उस मिश्रण के "सुपर-कंडक्टर" के रूप में समझ सकते हैं। इसका काम बिजली के लिए एक राजमार्ग बनाना है ताकि वह सूप के माध्यम से यात्रा कर सके, जिससे अन्य सभी कणों को कुशलतापूर्वक नमक के आयनों को पकड़ने के लिए जोड़ा जा सके। हालाँकि, एसिटिलीन ब्लैक में एक स्वभाव संबंधी दोष है: यह अत्यधिक हाइड्रोफोबिक है, जो एक फैंसी शब्द है "पानी से डरने वाला" के लिए।

कल्पना कीजिए कि आप पानी के गिलास में तेल मिलाने की कोशिश कर रहे हैं। तेल बस ऊपर ही रहता है या तैलीय गांठों के रूप में इकट्ठा हो जाता है क्योंकि वह पानी से नफरत करता है। इलेक्ट्रोड सूप में एसिटिलीन ब्लैक के साथ बिल्कुल ऐसा ही होता है। यह बड़ी, बेकार गांठों में सिमट जाता है, जिससे विद्युत राजमार्ग टूट जाता है और डिसेलिनेशन (लवणीकरण हटाने की प्रक्रिया) की प्रक्रिया ठीक से काम करना बंद कर देती है। शोधकर्ता जानते थे कि उन्हें इस "पानी से डरने वाली" सामग्री को बिना उसकी सुपर-कंडक्टिव शक्तियों को नुकसान पहुँचाए "पानी से प्यार करने वाली" बनाने की आवश्यकता है।

समाधान: हाइड्रोजन पेरोक्साइड का मेकओवर

टीम ने निर्णय लिया कि वे हाइड्रोजन पेरोक्साइड (वही चीज़ जो आपके फर्स्ट-एड किट में हो सकती है, हालांकि उन्होंने 30% घोल का उपयोग किया) का उपयोग करके एसिटिलीन ब्लैक को एक रासायनिक मेकओवर देंगे। उन्होंने इस काले पाउडर को इस तरल के साथ एक प्रक्रिया के माध्यम से उपचारित किया जिसे "लिक्विड-फेज़ ऑक्सीकरण" कहा जाता है।

इसे एक हाइड्रोफोबिक (पानी से डरने वाले) सुपरहीरो को पानी को आकर्षित करने वाले कपड़े से बने कवच का नया सूट देने के रूप में समझें। हाइड्रोजन पेरोक्साइड ने सुपरहीरो की शक्तियों को नष्ट नहीं किया; इसके बजाय, इसने कणों की सतह पर धीरे से छोटे, पानी-प्रेमी रासायनिक समूहों (जैसे हाइड्रॉक्सिल और कार्बोक्सिल समूह) को जोड़ा।

उन्होंने क्या पाया:

• रूपांतरण: मेकओवर से पहले, एसिटिलीन ब्लैक इतना पानी-विरोधी था कि उस पर पानी की एक बूंद 137.8° के तीव्र कोण पर मोती की तरह बन जाती थी। हाइड्रोजन पेरोक्साइड उपचार के बाद, वह कोण गिरकर 64.3° हो गया। इसका मतलब है कि सामग्री पानी को धकेलने से बदलकर खुशी-खुशी उसे सोखने वाली बन गई, ठीक वैसे ही जैसे एक सूखा स्पंज।
• कोई नुकसान नहीं: महत्वपूर्ण रूप से, शोधकर्ताओं ने सामग्री के "कंकाल" की जांच की और पाया कि विशेष 3D नेटवर्क जो बिजली का संचालन करता है, वह अभी भी पूरी तरह से बरकरार है। उन्होंने शक्तियों को तोड़े बिना व्यक्तित्व को ठीक किया।
• परिणाम: जब उन्होंने इस नए, पानी-प्रेमी एसिटिलीन ब्लैक को मुख्य अधिशोषक (एक्टिवेटेड कार्बन) के साथ मिलाकर फ्लो इलेक्ट्रोड बनाया, तो कण आपस में जुड़ना बंद कर दिए। वे समान रूप से फैल गए, जिससे बिजली के लिए एक आदर्श, निरंतर राजमार्ग बन गया।

बड़े आंकड़े: बेहतर सफाई, कम ऊर्जा

टीम ने बिजली संयंत्रों के नमकीन कूलिंग वाटर की नकल करने वाले पानी का उपयोग करके एक वास्तविक डिसेलिनेशन सेटअप में अपने नए नुस्खे का परीक्षण किया। यहाँ बताया गया है कि जब उन्होंने संशोधित एसिटिलीन ब्लैक का उपयोग किया तो क्या हुआ:

• नमक हटाना: सबसे अच्छे मिश्रण (जिसमें संशोधित एसिटिलीन ब्लैक का 10% शामिल था) के साथ, सिस्टम ने 40.29% की दक्षता के साथ नमक हटाया। यह एक विशाल उछाल है—साधारण एक्टिवेटेड कार्बन का उपयोग करने की तुलना में लगभग 48% अधिक।
• ऊर्जा की बचत: क्योंकि बिजली नए मिश्रण के माध्यम से बहुत सुचारू रूप से प्रवाहित हो सकती थी, इसलिए सिस्टम को उतनी मेहनत नहीं करनी पड़ी। 3.6 V के इष्टतम वोल्टेज पर, पानी को साफ करने के लिए आवश्यक ऊर्जा घटकर 1.38 kWh/kg रह गई। यह बिना संशोधित (गुंठों वाले) एसिटिलीन ब्लैक की तुलना में लगभग 8.0% कम और केवल साधारण एक्टिवेटेड कार्बन की तुलना में लगभग 17.9% कम ऊर्जा है।
• "गोल्डिलॉक्स" ज़ोन: शोधकर्ताओं ने पाया कि बहुत अधिक एडिटिव (20%) जोड़ने से चीजें फिर से खराब हो गईं क्योंकि नए कोटिंग के बावजूद कण आपस में जुड़ने लगे। लेकिन 10% के स्तर पर, सब कुछ बिल्कुल सही था।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

यह शोध पत्र सुझाव देता है कि बेहतर डिसेलिनेशन का रहस्य केवल अधिक शक्ति या अधिक सामग्री जोड़ना नहीं है; बल्कि यह सुनिश्चित करना है कि सामग्रियां पानी के साथ तालमेल बिठाकर चलें। केवल एसिटिलीन ब्लैक की सतह को बदलकर उसे पानी के अनुकूल बनाकर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी प्रणाली बनाई जो स्वच्छ, तेज़ और अधिक ऊर्जा-कुशल है।

यह केवल एक लैब प्रयोग नहीं है; यह बिजली संयंत्रों में उपयोग किए जाने वाले पानी की विशाल मात्रा को साफ करने के लिए बेहतर इलेक्ट्रोड डिजाइन करने का एक कम लागत वाला, व्यावहारिक तरीका प्रदान करता है। यदि हम इस पानी को कुशलतापूर्वक पुनर्चक्रित (recycle) कर सकते हैं, तो हम दूसरों के लिए ताज़ा पानी बचा सकते हैं, और वह भी कम ऊर्जा बर्बादी के साथ बिजली चालू रखते हुए। यह अध्ययन साबित करता है कि एक छोटा सा रासायनिक मेकओवर, गुंठों वाले, पानी से डरने वाले घटक को पानी की कमी के खिलाफ लड़ाई में एक स्टार खिलाड़ी में बदल सकता है।