Solar-driven photocatalytic ceramic membrane reactors from Tunisian clay for efficient paracetamol degradation

दुनिया के जल भंडार की कल्पना एक विशाल, साझा स्विमिंग पूल के रूप में करें। समय के साथ, यह पूल न केवल मिट्टी से, बल्कि अदृश्य मेहमानों से भी थोड़ा गंदा होता जाता है: दवा के वे सूक्ष्म अंश जिन्हें लोग फ्लश कर देते हैं। इनमें से एक मेहमान पैरासेटामिन (paracetamol) है, जो एक सामान्य दर्द निवारक है जो सामान्य जल उपचार संयंत्रों में हमेशा गायब नहीं होता है। यह नदियों और झीलों में बना रहता है, जो मछलियों या हमारे लिए अच्छा नहीं है। वैज्ञानिक एक "सुपर-फिल्टर" बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो न केवल इन मेहमानों को पकड़े बल्कि प्रकाश का उपयोग करके उन्हें नष्ट भी कर दे, ठीक वैसे ही जैसे सूरज की रोशनी दीवार पर लगे पोस्टर को फीका कर सकती है। विज्ञान के इस क्षेत्र को फोटोकैटलिसिस (photocatalysis) कहा जाता है। यह विशेष सामग्रियों का उपयोग करता है जो छोटे सौर-संचालित कारखानों की तरह कार्य करती हैं; जब प्रकाश उन पर पड़ता है, तो वे एक रासायनिक प्रतिक्रिया उत्पन्न करते हैं जो प्रदूषकों को हानिरहित टुकड़ों में तोड़ देती है। सबसे बड़ी चुनौती हमेशा लागत रही है: इन विशेष फिल्टरों को बनाना आमतौर पर महंगा होता है, और उन्हें चलाने के लिए कृत्रिम रोशनी का उपयोग करने से बहुत अधिक बिजली खर्च होती है।

अब, एक ऐसी टीम की कल्पना करें जिन्होंने रचनात्मक होने का निर्णय लिया। महंगे सामान खरीदने के बजाय, उन्होंने अपने पैरों के नीचे की जमीन की ओर देखा। उन्होंने ट्यूनीशिया में एक विशिष्ट प्रकार की लाल मिट्टी पाई जो सस्ती है और जिस पर काम करना आसान है। उन्होंने इस मिट्टी को एक सिरेमिक फिल्टर में बदल दिया, जो एक बहुत ही सख्त, छिद्रपूर्ण कुकी की तरह है, और फिर इसे टाइटेनियम डाइऑक्साइड (TiO2) नामक एक विशेष पाउडर से लेपित किया। यह पाउडर "सौर कारखाना" है जो सफाई का काम करता है। उन्होंने एक मशीन बनाई जहाँ गंदा पानी इस मिट्टी के फिल्टर के ऊपर से बहता है जबकि सूरज (या एक UV लैंप) उस पर चमकता है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह कम लागत वाला, सूर्य-संचालित सेटअप पैरासेटामिन को प्रभावी ढंग से साफ कर सकता है, जो उन स्थानों पर पानी को साफ करने का एक टिकाऊ तरीका हो सकता है जहाँ धूप तेज होती है लेकिन महंगे उपकरणों के लिए पैसे की कमी होती है।

मिट्टी का फिल्टर और सूर्य-संचालित कारखाना

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने दक्षिणी ट्यूनीशिया के मतमाता-गेबेस (Matmata-Gabes) क्षेत्र से लाल मिट्टी ली और इसे एक मजबूत सिरेमिक झिल्ली (membrane) में बदलने के लिए 1000°C के भीषण तापमान पर पकाया। इस मिट्टी को सिस्टम का कंकाल मान लें। इसे फिल्टर के रूप में काम करने के योग्य बनाने के लिए, उन्होंने पकाने से पहले मकई का स्टार्च (cornstarch) मिलाया; जब गर्मी लगी, तो स्टार्च जल गया, जिससे पानी के बहने के लिए सूक्ष्म सुरंगों (छिद्रों) का एक नेटवर्क पीछे रह गया। फिर, उन्होंने इन मिट्टी की ईंटों को टाइटेनियम डाइऑक्साइड (TiO2) नैनोकणों के घोल में डुबोया। यह कोटिंग जादुई सामग्री है। जब प्रकाश TiO2 पर पड़ता है, तो यह सक्रिय हो जाता है और "सफाई एजेंट" (जिन्हें हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स कहा जाता है) उत्पन्न करना शुरू कर देता है जो पैरासेटामिन के अणुओं पर हमला करते हैं और उन्हें तोड़ देते हैं।

टीम ने एक आदर्श नुस्खा खोजने की कोशिश की। उन्होंने TiO2 के "सूप" की विभिन्न मात्राओं का परीक्षण किया ताकि यह देखा जा सके कि कितनी कोटिंग बिल्कुल सही है। उन्हें एक कठिन संतुलन मिला: यदि आप बहुत कम कोटिंग लगाते हैं, तो काम करने के लिए पर्याप्त सफाई एजेंट नहीं होते हैं। लेकिन यदि आप बहुत अधिक लगाते हैं, तो कोटिंग इतनी मोटी हो जाती है कि वह मिट्टी के सूक्ष्म सुरंगों को बंद कर देती है, जिससे पानी का प्रवाह रुक जाता है। यह खिड़की को स्पंज से साफ करने जैसा है; थोड़े से साबुन से मदद मिलती है, लेकिन यदि आप बहुत अधिक ढेर लगा दें, तो आप कांच के पार नहीं देख पाएंगे। उन्होंने पाया कि कृत्रिम UV प्रकाश के तहत 0.6 ग्राम प्रति लीटर की सांद्रता सबसे अच्छी थी, जबकि प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश के लिए 1.0 ग्राम प्रति लीटर सबसे उपयुक्त था।

हमले का कोण: क्यों सपाट रहना जीत दिलाता है

प्रयोग का सबसे मजेदार हिस्सा यह था कि फिल्टर के कोण ने परिणामों को कैसे बदला। शोधकर्ताओं ने झिल्ली को विभिन्न कोणों पर झुकाया: सपाट (0°), थोड़ा झुका हुआ (20°), तीव्र (40°), और बहुत अधिक तीव्र (60°)। आप सोच सकते हैं कि झुकाव से पानी तेजी से नीचे गिरेगा या यह अधिक धूप पकड़ेगा, लेकिन परिणामों ने उन्हें आश्चर्यचकित कर दिया। सपाट, क्षैतिज स्थिति (0°) स्पष्ट विजेता थी।

क्यों? कल्पना करें कि सूरज (या UV लैंप) एक स्पॉटलाइट की तरह है जो सीधे नीचे की ओर चमक रहा है। जब फिल्टर सपाट होता है, तो पूरी सतह पर सीधे प्रकाश पड़ता है, ठीक वैसे ही जैसे छत पर लगा सौर पैनल सपाट होता है। जब उन्होंने फिल्टर को झुकाया, तो प्रकाश तिरछा पड़ा, जिसका अर्थ है कि सतह तक कम ऊर्जा पहुँची। यह वैसा ही है जैसे किसी छड़ी को झुकाने पर उसकी छाया लंबी हो जाती है; प्रभावी क्षेत्र जो "धूप सेंक" रहा है, वह छोटा हो जाता है। भले ही झुकाव से पानी का प्रवाह थोड़ा तेज हो सकता है, लेकिन प्रकाश ऊर्जा का नुकसान बहुत बड़ी कीमत थी। सपाट सेटअप ने सबसे अधिक प्रकाश को उत्प्रेरक (catalyst) तक पहुँचने दिया, जिससे दवा का टूटना सबसे तेज़ हुआ।

परिणाम: सूरज से सफाई

परिणाम उत्साहजनक थे। कृत्रिम UV लैंप के तहत, सही मात्रा में कोटिंग वाले सपाट झिल्ली ने 5.5 घंटों में लगभग 74.9% पैरासेटामिन को नष्ट कर दिया। जब उन्होंने प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश का उपयोग किया, तो यह उतना तेज़ नहीं था (क्योंकि सूर्य के प्रकाश में उस विशिष्ट UV प्रकाश की कमी होती है जिसे TiO2 पसंद करता है), लेकिन इसने फिर भी अच्छा काम किया, और उसी समय में प्रदूषक को लगभग 55.5% हटा दिया। यह सुझाव देता है कि महंगे इलेक्ट्रिक लैंप के बिना भी, केवल सूर्य का उपयोग करना पानी को साफ करने का एक व्यवहार्य तरीका हो सकता है।

अध्ययन ने "फाउलिंग" (fouling) नामक चीज़ की भी जांच की, जो तब होता है जब गंदगी फिल्टर पर जमा होकर उसे जाम कर देती है। आमतौर पर, यह एक बुरी चीज़ है जो पानी के प्रवाह को रोक देती है। हालाँकि, क्योंकि यह फिल्टर फोटोकैटलिटिक था, इसमें एक "स्वयं-सफाई" (self-cleaning) की सुपरपावर थी। जैसे ही प्रकाश सतह पर पड़ता, सफाई एजेंट न केवल पैरासेटामिन पर हमला करते, बल्कि वे फिल्टर पर जमा होने वाली गंदगी को भी तोड़ने लगते। हालांकि समय के साथ पानी का प्रवाह धीमा होता गया, लेकिन फिल्टर ने प्रदूषकों को नष्ट करने के लिए कड़ी मेहनत जारी रखी, जिससे साबित हुआ कि प्रकाश सतह को अपेक्षाकृत साफ रखने में मदद कर रहा था।

दीर्घायु और सुरक्षा

शोधकर्ताओं ने यह भी जांचा कि क्या उनके मिट्टी के फिल्टर का बार-बार उपयोग किया जा सकता है। उन्होंने इसे पांच चक्रों (cycles) के माध्यम से चलाया। दुर्भाग्य से, फिल्टर हमेशा के लिए एकदम सही नहीं रहा; पहले कुछ उपयोगों के बाद इसकी सफाई करने की क्षमता काफी कम हो गई, और पांचवें दौर तक इसकी दक्षता में लगभग 70% की कमी आई। इससे पता चलता है कि कोटिंग शायद निकल रही है या उन जिद्दी अवशेषों द्वारा अवरुद्ध हो रही है जिन्हें प्रकाश पूरी तरह से नहीं तोड़ सका। जबकि इसका मतलब यह है कि यह अभी तक एक "हमेशा के लिए" समाधान नहीं है, इसने यह भी दिखाया कि यह कुछ समय के लिए काम कर सकता है, और टीम का सुझाव है कि सरल सफाई विधियाँ इसे फिर से जीवित करने में मदद कर सकती हैं।

अंत में, वे यह सुनिश्चित करना चाहते थे कि पैरासेटामिन के टूटे हुए हिस्से खतरनाक न हों। कंप्यूटर मॉडल का उपयोग करते हुए, उन्होंने भविष्यवाणी की कि सफाई प्रक्रिया के बाद बने नए, छोटे अणु मूल दवा की तुलना में मछलियों और शैवाल के लिए बहुत कम विषैले थे। यह एक महत्वपूर्ण कदम है: इसका मतलब है कि फिल्टर केवल समस्या को इधर-उधर नहीं भेज रहा है; यह वास्तव में पानी को सुरक्षित बना रहा है।

निष्कर्ष

यह शोध पत्र दिखाता है कि पानी के प्रदूषण से लड़ने के लिए आपको उच्च-तकनीकी, महंगी सामग्रियों की आवश्यकता नहीं है। स्थानीय ट्यूनीशियाई मिट्टी और सूर्य की शक्ति का उपयोग करके, एक ऐसा फिल्टर बनाना संभव है जो सामान्य दवाओं को प्रभावी ढंग से तोड़ सकता है। हालांकि इस फिल्टर को लंबे समय तक चलने और बेहतर काम करने के लिए कुछ सुधारों की आवश्यकता है, यह अध्ययन सिद्ध करता है कि एक सरल, कम लागत वाला, सौर-चालित दृष्टिकोण दुनिया के धूप वाले हिस्सों में पानी को साफ करने का एक वास्तविक विकल्प है। यह हमें याद दिलाता है कि कभी-कभी सबसे अच्छे समाधान हमारे पैरों के नीचे ही होते हैं, बस उन्हें जगाने के लिए थोड़ी सी रोशनी की प्रतीक्षा रहती है।