The preparation of CeO2-Co2O3/BiVO4 by electrodeposition and its applied study in photocatalytic degradation of wastewater
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि इलेक्ट्रोडिपोजिशन के माध्यम से संश्लेषित CeO2-Co2O3/BiVO4, इलेक्ट्रॉन-होल पुनर्संयोजन को कम करके और हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स उत्पन्न करके कोकिंग अपशिष्ट जल के दृश्य-प्रकाश फोटोकैटलिटिक क्षरण को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाता है, जिससे 0.5 g/L खुराक और pH 7.0 की इष्टतम स्थितियों के तहत 98% COD निष्कासन दर प्राप्त होती है।
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जल उपचार की दुनिया की कल्पना एक विशाल, गंदे रसोईघर के रूप में करें जहाँ सिंक जिद्दी, चिकनाई भरे कचरे से जाम है जिसे केवल स्पंज से नहीं धोया जा सकता। इस पर अध्ययन करने वाले वैज्ञानिक उन मास्टर शेफ की तरह हैं जो एक नए प्रकार का साबुन बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो कठोर रसायनों के बजाय केवल एक लैंप की रोशनी का उपयोग करके उस गंदगी को घोल सके। इस क्षेत्र को फोटोकैटलिसिस (photocatalysis) कहा जाता है। एक फोटोकैटलिस्ट को एक नन्हे, सौर-ऊर्जा से चलने वाले काम करने वाले मधुमक्खी (worker bee) के रूप में सोचें। जब सूर्य का प्रकाश इस मधुमक्खी से टकराता है, तो यह जाग जाती है और इधर-उधर दौड़ने लगती है, गंदे अणुओं को पकड़ती है और उन्हें तोड़ देती है। हालाँकि, इन काम करने वाली मधुमक्खियों के साथ अक्सर एक समस्या होती है: वे बहुत जल्दी थक जाती हैं, या वे एक-दूसरे से टकरा जाती हैं और काम पूरा होने से पहले ही काम करना बंद कर देती हैं। विज्ञान के इस कोने में बड़ा सवाल यह है कि: हम एक बेहतर मधुमक्खी कैसे बनाएं, जो अधिक समय तक जागती रहे, तेज़ी से काम करे, और हमारे अपशिष्ट जल (wastewater) के सबसे कठिन, चिपचिपे कचरे को संभाल सके?
यह शोध पत्र एक टीम के बारे में बताता है जिन्होंने तीन अलग-अलग सामग्रियों को आपस में मिलाकर एक 'सुपर-बी' (super-bee) बनाने की कोशिश की: BiVO4, Co2O3, और CeO2। उन्होंने इन्हें केवल एक कटोरे में नहीं मिलाया; उन्होंने "इलेक्ट्रोडिपोजिशन" (electrodeposition) नामक एक विशेष तकनीक का उपयोग किया, जो एक सामग्री को दूसरी पर लेप करने के लिए एक छोटे, सटीक इलेक्ट्रिक पेंटब्रश का उपयोग करने जैसा है, जिसे एक फॉस्फेट बफर समाधान (एक प्रकार का रासायनिक स्नान जो सब कुछ स्थिर रखता है) में किया गया था। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह नया तीन-भागों वाला दल "कोकिंग टेलवॉटर" (coking tailwater)—जो स्टील कारखानों से निकलने वाला एक बहुत ही गंदा, जटिल प्रकार का अपशिष्ट जल है और जिसका उपचार करना अत्यंत कठिन माना जाता है—को साफ कर सकता है।
यहाँ उन्हें क्या मिला। सबसे पहले, उन्हें अपने नए उत्प्रेरक (catalyst) के लिए सही "लाइट स्विच" का पता लगाना था। उन्होंने पराबैंगनी (ultraviolet) से लेकर दृश्य प्रकाश (visible light) के विभिन्न रंगों तक, अलग-अलग रंगों की रोशनी का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि उनका नया उत्प्रेरक एक विशिष्ट दृश्य प्रकाश तरंग दैर्ध्य (wavelength) 435 nm के तहत सबसे अच्छा काम करता है, जो नीले-बैंगनी रंग की एक छाया है। यह ऐसा था जैसे उन्हें पता चला हो कि उनकी सुपर-बी केवल इसी सटीक रंग के संपर्क में आने पर अधिकतम ऊर्जा के साथ भिनभिनाती है।
जब उन्होंने इस नए उत्प्रेरक को गंदे कारखाने के पानी पर काम पर लगाया, तो परिणाम प्रभावशाली थे। उन्होंने पाया कि यह तीन-भागों वाला दल (CeO2-Co2O3/BiVO4) दो-भागों वाले दल (Co2O3/BiVO4) या अकेले एक सामग्री (BiVO4) की तुलना में पानी को साफ करने में बहुत बेहतर था। वास्तव में, पानी पर 0.5 ग्राम उत्प्रेरक प्रति लीटर की खुराक के साथ उस 435 nm की रोशनी को 6 घंटे तक चमकाने के बाद, नए उत्प्रेरक ने प्रदूषण (जिसे केमिकल ऑक्सीजन डिमांड या COD के रूप में मापा जाता है) को 98% तक हटा दिया। यह अगले सबसे अच्छे विकल्प से 13% बेहतर था। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि उत्प्रेरक तब सबसे अच्छा काम करता है जब पानी उदासीन (pH 7.0) होता है और बहुत अधिक उत्प्रेरक जोड़ने से वास्तव में चीजें खराब हो जाती हैं क्योंकि यह प्रकाश को बाधित करता है, जैसे बहुत अधिक लोगों के साथ एक कमरे में भीड़ लगा देना।
क्यों तीन-भागों वाला दल जीता? शोध पत्र सुझाव देता है कि इसका गुप्त मंत्र CeO2 था। अन्य दो सामग्रियों को एक ऐसी टीम के रूप में सोचें जो कभी-कभी एक-दूसरे से टकरा जाती है, जिससे उनकी ऊर्जा एक-दूसरे को रद्द कर देती है। CeO2 एक ट्रैफिक कंट्रोलर या एक पुल की तरह कार्य करता है, जो ऊर्जा (इलेक्ट्रॉन और होल) को टीम के सदस्यों के बीच बिना किसी टकराव के सुचारू रूप से आगे बढ़ने में मदद करता है। यह सुचारू गति उत्प्रेरक को अधिक "हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स" (hydroxyl radicals) बनाने की अनुमति देती है, जो कि नन्हे, अति-सक्रिय सफाई बुलबुलों की तरह हैं जो प्रदूषण को खा जाते हैं। शोधकर्ताओं ने इन बुलबुलों को मापा और पाया कि उनके नए उत्प्रेरक ने दो-भागों वाले दल की तुलना में 20% अधिक उत्पादन किया।
अंत में, शोध पत्र निष्कर्ष निकालता है कि यह विशिष्ट संयोजन, जिसे उनके इलेक्ट्रिक पेंटब्रश विधि का उपयोग करके फॉस्फेट बाथ में बनाया गया है, कठिन औद्योगिक अपशिष्ट जल को साफ करने का एक बहुत प्रभावी तरीका है। उन्होंने दिखाया कि यह उत्प्रेरक स्थिर है, CeO2 मजबूती से जुड़ा हुआ है, और यह पूरी प्रणाली उस विशिष्ट नीले-बैंगनी प्रकाश के तहत सबसे अच्छा काम करती है। हालांकि उन्होंने यह दावा नहीं किया कि उन्होंने दुनिया की हर जल समस्या को हल कर दिया है, लेकिन उन्होंने प्रकाश का उपयोग करके अपशिष्ट जल उपचार को तेज़ और अधिक कुशल बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम प्रदर्शित किया है।
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