Organic-Inorganic Hyphenated Beads Supporting Co-adsorption of Congo Red and Crystal Violet dyes: Studies on Composition Flip-Flop and Crosslinking Effects

पानी जीवन का आधार है, फिर भी वे उद्योग जो आधुनिक समाज का निर्वाह करते हैं, अक्सर इसे जहरीला बना देते हैं। कपड़ा कारखाने, पेपर मिल और डाई हाउस बड़ी मात्रा में अपशिष्ट जल छोड़ते हैं जिसमें रंगीन, जहरीले रसायन होते हैं जो आसानी से टूटते नहीं हैं। इनमें सबसे स्थायी और हानिकारक दो विशिष्ट डाई (रंजक) हैं: कॉन्गो रेड, एक गहरा लाल ऋणायनिक (anionic) डाई जिसका उपयोग कागज और वस्त्रों में किया जाता है, और क्रिस्टल वायलेट, एक बैंगनी धनायनिक (cationic) डाई जिसका उपयोग प्रिंटिंग और जीव विज्ञान में किया जाता है। जबकि ऋणायनिक डाई नकारात्मक विद्युत आवेश वहन करती हैं और धनायनिक डाई सकारात्मक आवेश वहन करती हैं, वे अक्सर औद्योगिक अपशिष्ट में एक साथ दिखाई देती हैं। पानी को साफ करने के पारंपरिक तरीके, जैसे कि जमावट (coagulation) या निस्पंदन (filtration), अक्सर महंगे होते हैं या अपने स्वयं के पर्यावरणीय खतरे पैदा करते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से एक सरल, हरित समाधान की तलाश में रहे हैं: एक ऐसा पदार्थ जो स्पंज की तरह काम कर सके, जो पानी से इन जहरीले रंगों को सोख ले ताकि तरल को सुरक्षित रूप से छोड़ा जा सके। चुनौती एक ही सामग्री बनाने में निहित है जो एक ही समय में दोनों धनात्मक और ऋणात्मक आवेशित रंगों को पकड़ सके, जो एक ऐसा कार्य है जिसके लिए आमतौर पर दो अलग-अलग प्रकार के फिल्टरों की आवश्यकता होती है।

कोलकाता विश्वविद्यालय और भारत के संबद्ध संस्थानों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस विशिष्ट समस्या को हल करने के लिए डिज़ाइन किए गए एक नए प्रकार के मोतियों (beads) का विकास किया है। उन्होंने एक हाइब्रिड सामग्री बनाई जो एक कार्बनिक बहुलक (polymer), जिसे चिटोसन (chitosan) कहा जाता है, को एक अकार्बनिक मिट्टी, जिसे केओलिन (kaolin) कहा जाता है, के साथ जोड़ती है। चिटोसन केकड़े और झींगे के खोल से प्राप्त एक प्राकृतिक पदार्थ है, जबकि केओलिन एक सामान्य, प्रचुर मात्रा में उपलब्ध मिट्टी है। शोधकर्ताओं ने इन दोनों सामग्रियों को केवल आपस में मिश्रित नहीं किया; इसके बजाय, उन्होंने एक इंजीनियर संरचना वाले मोती बनाए जहाँ मिट्टी और बहुलक अलग-अलग परतें बनाते हैं, जिससे एक अद्वितीय सतह रसायन विज्ञान उत्पन्न होता है। इन मोतियों को और अधिक प्रभावी बनाने के लिए, उन्होंने सतह पर HEMA नामक छोटे रासायनिक इकाइयों को जोड़ा, जो डाई अणुओं को पकड़ने के लिए अतिरिक्त हुक की तरह काम करते हैं। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह स्तरित, "हाइफनेटेड" संरचना, विपरीत विद्युत आवेशों के बावजूद, मिश्रित घोल से दोनों लाल और बैंगनी रंगों को एक साथ बाहर निकाल सकती है।

शोधकर्ताओं ने इन मोतियों की एक श्रृंखला का संश्लेषण किया, जिसमें मिट्टी और संरचना को एक साथ रखने के लिए उपयोग किए जाने वाले रासायनिक क्रॉस-लिंकर्स की मात्रा में भिन्नता की गई। उन्होंने प्रत्येक संस्करण का परीक्षण किया ताकि सही संतुलन पाया जा सके। सबसे सफल संस्करण, जिसे AC-20 नाम दिया गया, में चिटोसन और केओलिन का एक विशिष्ट अनुपात था और इसे क्रॉस-लिंकिंग एजेंट और सतह ग्राफ्टिंग मोनोमर की सटीक मात्रा के साथ उपचारित किया गया था। जब उन्होंने इन मोतियों को कॉन्गो रेड और क्रिस्टल वायलेट युक्त घोल में डाला, तो परिणाम आश्चर्यजनक थे। 1 के अत्यधिक अम्लीय pH पर, AC-20 मोतियों ने चार घंटे के भीतर 99.7% लाल डाई और 95.4% बैंगनी डाई को हटा दिया। उल्लेखनीय रूप से, मोती तब भी प्रभावी रहे जब पानी कम अम्लीय था, जिसने pH 3 पर 84% से अधिक लाल डाई और 91% बैंगनी डाई को हटाया। यह प्रदर्शन महत्वपूर्ण है क्योंकि सफाई के पिछले अधिकांश प्रयास केवल एक प्रकार की डाई को हटाने पर केंद्रित थे या प्रत्येक के लिए अलग-अलग pH स्तरों की आवश्यकता थी।

इस सफलता का रहस्य इस बात में निहित है कि मोती रंगों के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। एक विशिष्ट परिदृश्य में, एक धनात्मक आवेशित सतह बैंगनी रंग की धनात्मक डाई को प्रतिकर्षित करेगी, जिससे उसे हटाना असंभव हो जाएगा। हालांकि, शोधकर्ताओं ने एक सहयोगात्मक तंत्र (cooperative mechanism) की खोज की। जब नकारात्मक रूप से आवेशित लाल डाई पहले मोती से जुड़ती है, तो यह सतह के वातावरण को बदल देती है। यह प्रारंभिक जुड़ाव सतह के आवेश को कुछ हद तक उदासीन कर देता है और नए स्थल (sites) उजागर करता है, जैसे कि मिट्टी से प्राप्त हाइड्रॉक्सिल समूह और सिलोक्सेन परतें, जो फिर बैंगनी डाई को आकर्षित करती हैं। दोनों डाई विद्युत आकर्षण और आणविक स्टैकिंग (molecular stacking) के संयोजन के माध्यम से मोती से चिपकने में एक-दूसरे की मदद करती हैं, जहाँ डाई अणुओं के चपटे छल्ले मिट्टी की सपाट परतों के साथ संरेखित होते हैं। सतह के गुणों का यह "फ्लिप-फ्लॉप" एक ही मोती को एक साथ दोनों प्रकार के प्रदूषकों के लिए जाल के रूप में कार्य करने की अनुमति देता है।

यह सुनिश्चित करने के लिए कि यह एक मजबूत समाधान था, टीम ने विभिन्न उन्नत उपकरणों का उपयोग करके मोतियों का परीक्षण किया। उन्होंने रासायनिक बंधों की जांच की ताकि पुष्टि हो सके कि मिट्टी और बहुलक ठीक से जुड़े हुए हैं और सतह ग्राफ्टिंग हुई है। उन्होंने सफाई से पहले और बाद में सतह के आवेश को मापा, जिससे एक नाटकीय बदलाव देखा गया जिसने पुष्टि की कि डाई को पकड़ लिया गया था। उन्होंने सूक्ष्मदर्शी के नीचे मोतियों के भौतिक आकार को भी देखा, जिसमें नोट किया गया कि सतह खुरदरी और छोटी दरारों से भरी थी, जो डाई अणुओं के प्रवेश के लिए पर्याप्त स्थान प्रदान करती है। मोतियों ने अपना काम पूरा करने के बाद, सतह चिकनी हो गई, जो दर्शाता है कि छिद्रों में पकड़े गए रंग भर गए थे। अध्ययन ने यह भी दिखाया कि मोतियों को पुनर्जीवित (regenerate) किया जा सकता था; एक हल्के इथेनॉल घोल में भिगोने से डाई निकल गई, जिससे मोतियों का पुन: उपयोग संभव हुआ। यह सुझाव देता है कि सफाई की प्रक्रिया भौतिक और रासायनिक अंतःक्रियाओं पर निर्भर करती है जो प्रतिवर्ती (reversible) है, न कि स्थायी रासायनिक बंधों पर जो मोतियों को नष्ट कर देंगे।

निष्कर्ष जटिल औद्योगिक अपशिष्ट जल के उपचार के लिए एक आशाजनक मार्ग प्रदान करते हैं। कई पिछले अध्ययनों के विपरीत जो अकेले एक एकल डाई को हटाने पर केंद्रित थे, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि एक एकल, इंजीनियर की गई सामग्री विपरीत प्रदूषकों के मिश्रण को संभाल सकती है। AC-20 मोतियों ने बहुत कम मात्रा में—केवल 0.05 ग्राम प्रति 10 मिलीलीटर पानी के लिए—उच्च स्तर की सफाई हासिल की। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि हालांकि अन्य मोती फॉर्मूलेशन ने अच्छा काम किया, लेकिन या तो उनमें मिट्टी को थामे रखने के लिए संरचनात्मक अखंडता की कमी थी या समान परिणाम प्राप्त करने के लिए बड़ी मात्रा की आवश्यकता थी। AC-20 फॉर्मूलेशन ने कार्बनिक और अकार्बनिक घटकों के बीच सही संतुलन बनाया, जिससे एक स्थिर, उच्च-प्रदर्शन वाला अधिशोषक (adsorbent) तैयार हुआ। यह कार्य बताता है कि इन हाइब्रिड मोतियों की परतों और सतह रसायन विज्ञान को सावधानीपूर्वक डिजाइन करके, एक बहुमुखी उपकरण बनाना संभव है, जो औद्योगिक प्रदूषण की जटिल और मिश्रित वास्तविकता से निपटने में सक्षम है।