Selective production of olefins and hydrogen from waste plastics via a thermal plasma-assisted pyrolysis system
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक थर्मल प्लाज्मा-असिस्टेड पायरोलिसिस प्रणाली प्लाज्मा मापदंडों को अनुकूलित करके, पारंपरिक पुनर्चक्रण विधियों की कम चयनात्मकता और दक्षता की सीमाओं को दूर करते हुए, अपशिष्ट पॉलीप्रोपाइलीन को हल्के ओलेफिन और हाइड्रोजन-समृद्ध गैस के ट्यूनेबल (tunable) उत्पादन में प्रभावी ढंग से परिवर्तित करती है।
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एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ हमारे द्वारा फेंके गए प्लास्टिक के पहाड़ केवल कचरा नहीं, बल्कि छिपे हुए निर्माण खंडों (building blocks) का एक खजाना हों। दशकों से, वैज्ञानिक यह समझने की कोशिश कर रहे हैं कि कैसे पुराने प्लास्टिक की बोतलों और थैलियों को उन कच्चे माल में वापस बदला जाए जिसकी आवश्यकता नई चीजें बनाने के लिए होती है, जैसे कि ईंधन या वे रसायन जो हमारी आधुनिक दुनिया का निर्माण करते हैं। इस क्षेत्र को "केमिकल रिसाइक्लिंग" (रासायनिक पुनर्चक्रण) कहा जाता है। इसे एक केक को वापस आटे और अंडों में बदलने की कोशिश करने जैसा समझें। यह मुश्किल है क्योंकि एक बार जब आप सामग्री को मिला देते हैं और पका देते हैं, तो वे हमेशा के लिए बदल जाती हैं। आमतौर पर, जब हम प्लास्टिक को पिघलाने की कोशिश करते हैं, तो यह तेल और मोम का एक गड़बड़ मिश्रण बन जाता है, या हमें इसे तोड़ने के लिए विशेष, महंगे "जादुई चूर्ण" (कैटलिस्ट/उत्प्रेरक) का उपयोग करना पड़ता है, जो अक्सर वास्तविक दुनिया के कचरे की गंदगी से जाम हो जाते हैं। लेकिन क्या होगा अगर हम प्लास्टिक के अणुओं को गंदा होने से पहले ही उन्हें अलग करने के लिए एक सुपर-हॉट, सुपर-फास्ट "ऊर्जा बीम" का उपयोग कर सकें? यही वह बड़ा सवाल है जिसे यह अध्ययन हल करता है: क्या हम "थर्मल प्लाज्मा" नामक एक हाई-टेक ऊर्जा उपकरण का उपयोग करके अपशिष्ट प्लास्टिक को सीधे उपयोगी गैसों जैसे ओलेफिन (नए प्लास्टिक के निर्माण खंड) और हाइड्रोजन (एक स्वच्छ ईंधन) में बदल सकते हैं, बिना उन जाम होने वाले जादुई चूर्णों के?
इस शोध पत्र में काम करने वाले शोधकर्ताओं ने, जो कोरिया इंस्टीट्यूट ऑफ इंडस्ट्रियल टेक्नोलॉजी में कार्यरत हैं, इस विचार का परीक्षण करने के लिए वेस्ट पॉलीप्रोपाइलीन (WPP) का उपयोग करके एक दो-चरणीय मशीन बनाने का निर्णय लिया, जो दही के कप और बोतलों के ढक्कन में इस्तेमाल होने वाला प्लास्टिक है। सबसे पहले, उन्होंने प्लास्टिक को एक स्क्रू जैसे ओवन में 480 ℃ पर धीरे से गर्म किया। यह चरण प्लास्टिक को बस इतना गर्म करने जैसा था जिससे वह अपनी वाष्प (vapors) निकाल सके, लेकिन इतना नहीं कि वह पूरी तरह से गड़बड़ हो जाए। एक सामान्य सेटअप में, प्रक्रिया यहीं रुक जाती है, और आपको तरल तेल की एक बाल्टी प्राप्त होती है। लेकिन टीम वहीं नहीं रुकी। उन्होंने उन गर्म वाष्पों को सीधे दूसरे चैंबर में भेज दिया जो "DC आर्क प्लाज्मा" से भरा हुआ था।
इस प्लाज्मा चैंबर को एक ट्यूब के अंदर कैद बिजली के तूफान की तरह समझें। यह अविश्वसनीय रूप से गर्म है और ऊर्जावान कणों से भरा है जो छोटे, अति-सक्रिय हथौड़ों की तरह काम करते हैं। जब प्लास्टिक की वाष्प इस तूफान से टकराती है, तो अणु सामान्य ओवन की तुलना में बहुत अधिक तीव्रता से टूट जाते हैं। टीम यह देखना चाहती थी कि क्या वे इस "बिजली के तूफान" को नियंत्रित कर सकते हैं ताकि वे प्लास्टिक के अणुओं को बिल्कुल सही क्षण पर पकड़ सकें—ठीक उसी समय जब वे उपयोगी हल्की गैसों में टूट रहे हों, इससे पहले कि वे छोटे, बेकार टुकड़ों में टूट जाएं या कालिख (soot) में बदल जाएं।
उन्होंने इस बिजली के तूफान के लिए "गोल्डिलॉक्स" (सही) सेटिंग्स खोजने के लिए प्रयोगों की एक श्रृंखला चलाई। उन्होंने सिस्टम में नाइट्रोजन गैस के प्रवाह और विद्युत धारा (current) की शक्ति के साथ प्रयोग किया। यहाँ उन्होंने क्या खोजा:
जब उन्होंने केवल पहले ओवन का उपयोग किया (बिना बिजली के तूफान के), तो परिणाम मुख्य रूप से एक गाढ़ा, भारी तरल तेल (82.56 wt.%) था, जिसमें बहुत कम गैस (केवल 7.14 wt.%) थी। यह केक को वापस अन-बेक करने की कोशिश करने जैसा था, लेकिन आपको आटे के बजाय केवल गर्म बैटर का एक कटोरा मिला।
हालाँकि, जब उन्होंने प्लाज्मा "बिजली के तूफान" को जोड़ा, तो सब कुछ बदल गया। भारी तरल गायब हो गया, और प्लास्टिक लगभग पूरी तरह से गैस में बदल गया। सेटिंग्स को बदलकर, वे देख सकते थे कि वे परिणामों को दो अलग-अलग दिशाओं में मोड़ सकते हैं:
- ओलेफिन (प्लास्टिक निर्माण खंड) बनाना: यदि उन्होंने नाइट्रोजन गैस के प्रवाह को 40 L/min और विद्युत धारा को 50 A पर समायोजित किया, तो उन्हें एक शानदार परिणाम मिला: उनके आउटपुट का 69.0 wt.% हल्के ओलेफिन (जैसे एथिलीन और प्रोपलीन) था। ये वे सटीक सामग्रियां हैं जिनकी आवश्यकता नए प्लास्टिक बनाने के लिए होती है। नाइट्रोजन गैस ने एक "क्वेंच" या ठंडे शावर की तरह काम किया, जिसने अणुओं को इतनी तेज़ी से ठंडा कर दिया कि वे छोटे टुकड़ों में नहीं टूटे, जिससे मूल्यवान ओलेफिन सुरक्षित रहे।
- हाइड्रोजन (स्वच्छ ईंधन) बनाना: यदि उन्होंने प्रतिक्रिया कक्ष (reaction chamber) को छोटा कर दिया (व्यास को 85.1 mm से घटाकर 65 mm कर दिया), तो "बिजली का तूफान" उस तंग जगह में और भी तीव्र हो गया। इसने अणुओं को और भी अधिक तोड़ने के लिए मजबूर किया, जिससे कार्बन अलग हो गया और पीछे 99 wt.% से अधिक हाइड्रोजन वाली गैस बची। इसके बदले में, उन्हें रिएक्टर की दीवारों पर बहुत सारी काली कालिख (carbon) मिली, लेकिन गैस स्वयं अविश्वसनीय रूप से शुद्ध हाइड्रोजन थी।
यह शोध पत्र सुझाव देता है कि यह विधि उन कठिन उत्प्रेरकों (catalysts) की आवश्यकता के बिना अपशिष्ट प्लास्टिक को मूल्यवान रसायनों में बदलने का एक मजबूत तरीका है जो गंदे होकर काम करना बंद कर देते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि केवल गैस के प्रवाह या ट्यूब के आकार को बदलकर, वे मशीन को एक "प्लास्टिक-निर्माता" कारखाने से "हाइड्रोजन-ईंधन" कारखाने में बदल सकते हैं। हालांकि यह अध्ययन पुष्टि करता है कि यह प्रणाली इन विशिष्ट स्थितियों के लिए अच्छी तरह से काम करती है, लेखक यह भी नोट करते हैं कि भविष्य का कार्य हाइड्रोजन मोड में उत्पन्न होने वाली कालिख का बारीकी से अध्ययन करेगा ताकि इसके अन्य उपयोग देखे जा सकें। अंततः, उन्होंने दिखाया कि सही "ऊर्जा तूफान" के साथ, हम अपने प्लास्टिक कचरे को उन्हीं चीजों में वापस बदल सकते हैं जिनकी हमें एक स्वच्छ भविष्य बनाने के लिए आवश्यकता है।
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