Reversible Acidification Enables Closed-Loop Total Separation of Olivine
यह अध्ययन उच्च-शुद्धता वाले आयरन और मैग्नीशियम ऑक्साइड में ओलिविन के पूर्ण पृथक्करण हेतु अभिकर्मकों को पुनर्चक्रित करने और मौजूदा विधियों की तुलना में ऊर्जा लागत को महत्वपूर्ण रूप से कम करने के लिए SO₂ का उपयोग करके एक उत्क्रमणीय, प्रेशर-स्विंग एसिडिफिकेशन प्रक्रिया प्रस्तुत करता है।
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कल्पना कीजिए कि पृथ्वी एक विशाल, पथरीले खजाने के संदूक की तरह है, लेकिन सोने और रत्नों के बजाय, यह उन पत्थरों से भरा हुआ है जो बेकार कंकड़ जैसे दिखते हैं। ये पत्थर, जिन्हें सिलिकेट कहा जाता है, खनन अपशिष्ट के ढेरों और प्राकृतिक निक्षेपों में हर जगह मौजूद हैं। लंबे समय तक, वैज्ञानिकों ने इन्हें कचरा समझा। लेकिन इन चट्टानों के भीतर छिपे हुए तत्व हैं: मैग्नीशियम, लोहा और सिलिका। यदि हम उन्हें अनलॉक कर सकें, तो मैग्नीशियम जलवायु परिवर्तन से लड़ने के लिए हवा से कार्बन डाइऑक्साइड को सोखने में मदद कर सकता है, लोहे को स्टील में बदला जा सकता है, और सिलिका का उपयोग सीमेंट या कंप्यूटर चिप्स बनाने के लिए किया जा सकता है। समस्या यह है कि इन तत्वों को निकालना आमतौर पर एक अव्यवस्थित, महंगा और बर्बादी भरा काम है। यह एक कटोरे में मिले हुए मेवों और किशमिश को एसिड के एक कुंड में डुबोकर अलग करने की कोशिश करने जैसा है और फिर पूरे कचरे को फेंक देने जैसा है, जिसमें भारी मात्रा में रसायनों का उपयोग होता है और जहरीले कीचड़ का पहाड़ बन जाता है। वैज्ञानिक इसे सफाई से करने का एक तरीका खोज रहे थे, जैसे कोई जादू का खेल जहाँ बिना किसी रासायनिक सफाई दल की आवश्यकता के तत्व खुद को अलग कर लेते हैं।
यह शोध पत्र सल्फर डाइऑक्साइड (SO2) नामक एक गैस और एक प्रेशर स्विच (दबाव स्विच) का उपयोग करके एक चतुर नई तकनीक पेश करता है। इस चट्टान को घोलने की प्रक्रिया को एक सोडा की बोतल की तरह समझें। जब आप सोडा की बोतल को हिलाते हैं और ढक्कन को कसकर रखते हैं (उच्च दबाव), तो गैस तरल में घुली रहती है, जिससे वह झागदार और अम्लीय हो जाती है। यदि आप ढक्कन खोल देते हैं (कम दबाव), तो गैस बाहर निकल जाती है, तरल कम अम्लीय हो जाता है, और जो चीजें घुली हुई थीं, वे अचानक ठोस बनकर तरल से बाहर निकल सकती हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि वे इस "प्रेशर स्विंग" (दबाव परिवर्तन) का उपयोग करके SO2 गैस के साथ चट्टानों को घोल सकते हैं और फिर उनके अंदर के विभिन्न धातुओं को एक-एक करके बाहर निकाल सकते हैं, ठीक वैसे ही जैसे केवल कमरे की रोशनी बदलकर रंग के आधार पर खिलौनों को छाँटा जाता है। उन्होंने दिखाया कि यदि वे दबाव को बढ़ाकर 3.5 एटमोस्फीयर कर दें, तो वे चट्टान को तेजी से घोल सकते हैं। फिर, दबाव को धीरे-धीरे कम करके, वे पहले लोहे को ठोस के रूप में बाहर निकाल सकते हैं, और फिर मैग्नीशियम को बाहर निकाल सकते हैं, जिससे पीछे शुद्ध सिलिका बच जाता है। सबसे अच्छी बात यह है कि वे ठोसों को गर्म करके SO2 गैस को फिर से छोड़ सकते हैं, इसे पुनर्चक्रित (रिसाइकिल) कर सकते हैं, और इसका बार-बार उपयोग कर सकते हैं, जिससे एक बंद लूप (closed loop) बनता है जिसमें रसायनों की बर्बादी नहीं होती है। इस पूरे चक्र को चलाने की ऊर्जा लागत प्रति मोल मैग्नीशियम ऑक्साइड के उत्पादन के लिए लगभग 430 kJ है, जो नाइट्रिक एसिड जैसे अन्य तरीकों का उपयोग करने वाले तरीकों की तुलना में बहुत कम है।
शोधकर्ताओं ने सबसे पहले यह परीक्षण किया कि क्या यह गैस वास्तव में चट्टान को काट सकती है। उन्होंने प्राकृतिक ओलिविन चट्टान ली, उसे रेत के आकार के टुकड़ों में कुचला, और उसे 80 °C के तापमान और 3.5 एटमोस्फीयर के दबाव पर पानी और SO2 गैस के साथ एक टैंक में रखा। उन्होंने पाया कि चट्टान तेजी से घुल गई, जिससे मैग्नीशियम और आयरन आयनों से भरा एक तरल बन गया, जबकि पीछे एक सफेद, जेली जैसा पदार्थ बच गया जो कि शुद्ध, प्रतिक्रियाशील सिलिका था। यह सिलिका इतना शुद्ध था कि इसका उपयोग सीमेंट बनाने के लिए किया जा सकता था। उन्होंने यह भी देखा कि इस SO2 गैस के साथ चट्टान उतनी ही तेजी से घुलती है जितनी कि मजबूत नाइट्रिक एसिड के साथ, जो एक बड़ी बात है क्योंकि SO2 एक कमजोर एसिड है।
इसके बाद, उन्होंने कठिन हिस्से को संभाला: लोहे को मैग्नीशियम से अलग करना। आमतौर पर, आपको एक धातु को पानी से बाहर निकालने और दूसरी को अंदर रखने के लिए अलग-अलग रसायनों को मिलाने की आवश्यकता होगी। इसके बजाय, टीम ने केवल दबाव के साथ प्रयोग किया। उन्होंने पाया कि जैसे-जैसे वे SO2 का दबाव कम करते हैं, पानी का pH बदल जाता है, जिससे धातुएं अलग-अलग समय पर ठोस (precipitate) बन जाती हैं। जब उन्होंने दबाव कम किया, तो लोहा पहले ठोस बन गया, जिससे मैग्नीशियम पानी में घुला हुआ रह गया। इस प्रक्रिया को कुछ चरणों में करके, वे लोहे के ठोस को 94% शुद्धता तक और मैग्नीशियम के घोल को 99.9% शुद्धता तक समृद्ध करने में सक्षम रहे। उन्होंने यह भी मैप किया कि पूर्ण पृथक्करण प्राप्त करने के लिए कितने दबाव की आवश्यकता है, जिससे एक ऐसी मशीन बनाने के लिए मार्गदर्शिका तैयार हुई जो इसे निरंतर रूप से कर सके, जैसे कि एक फैक्ट्री असेंबली लाइन जहाँ सामग्री के विभिन्न चरणों से गुजरते समय दबाव बदलता रहता है।
अंत में, उन्होंने दिखाया कि यह प्रक्रिया एक वास्तविक लूप है। उन्होंने ठोस आयरन और मैग्नीशियम सल्फाइट्स जो उन्होंने बनाए थे, उन्हें गर्म किया। इस गर्मी ने ठोसों को तोड़ दिया, जिससे वे वापस शुद्ध धातु ऑक्साइड (जो मूल्यवान उत्पाद हैं) में बदल गए और SO2 गैस मुक्त हो गई। इस गैस को फिर से पकड़ा जा सकता है और अधिक चट्टानों को घोलने के लिए उपयोग किया जा सकता है, जिसका अर्थ है कि उन्हें नए रसायन खरीदने की आवश्यकता नहीं है। उन्होंने गणना की कि इस पूरे चक्र को चलाने के लिए आवश्यक ऊर्जा लगभग 430 kJ प्रति मोल मैग्नीशियम ऑक्साइड है, जो नाइट्रिक एसिड का उपयोग करने वाले अन्य तरीकों द्वारा आवश्यक 1,240 kJ प्रति मोल से काफी कम है। लेखक सुझाव देते हैं कि यह "रिवर्सिबल एसिडिफिकेशन" (प्रतिवर्ती अम्लीकरण) दृष्टिकोण बेकार चट्टानों को मूल्यवान संसाधनों में बदलने के लिए एक गेम-चेंजर हो सकता है, जिसमें भारी रासायनिक कचरे और ऊर्जा बिलों की आवश्यकता नहीं होगी।
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