Enhanced removal of iodine from wastewater in the presence of two-step sulfo and amine functionalized polyvinylchloride

तकनीकी सारांश: दो-चरणीय सल्फो और अमीन कार्यात्मक पॉलीविनाइल क्लोराइड का उपयोग करके अपशिष्ट जल से आयोडीन का उन्नत निष्कासन

समस्या विवरण
चिकित्सा, विसंक्रमण (disinfection) और परमाणु उद्योगों से रेडियोधर्मी आयोडीन आइसोटोप (विशेष रूप से $^{129}\text{I}$ और $^{131}\text{I}$) का उत्सर्जन महत्वपूर्ण पर्यावरणीय और स्वास्थ्य जोखिम पैदा करता है, जिसमें थायराइड कैंसर और चयापचय विकार शामिल हैं। जबकि आयन विनिमय, अधिशोषण और झिल्ली पृथक्करण जैसी विभिन्न शुद्धिकरण विधियाँ मौजूद हैं, धातु ऑक्साइड या धातु-कार्बनिक ढांचे (MOFs) पर आधारित कई मौजूदा अधिशोषक (sorbents) महंगे, अस्थिर या संश्लेषित करने में कठिन होते हैं। यद्यपि बहुलक-आधारित आयन विनिमयकर्ता एक लागत प्रभावी विकल्प प्रदान करते हैं, रेडियोधर्मी आयोडीन को अपशिष्ट जल से कुशलतापूर्वक हटाने के लिए संशोधित पॉलीविनाइल क्लोराइड (PVC) के विशिष्ट अनुप्रयोग का व्यापक रूप से अध्ययन नहीं किया गया है।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन एक नवीन पॉलीएम्फोलिट अधिशोषक (sorbent), जिसे PVC-(SO$_3$H)-NH-PАМ नाम दिया गया है, के संश्लेषण और लक्षण वर्णन पर केंद्रित है, जो वाणिज्यिक PVC (ब्रांड I40-13A) के दो-चरणीय संशोधन से प्राप्त किया गया है।

1. संश्लेषण:
   • चरण 1 (सल्फोनेशन): सल्फर पाउडर (2:1 द्रव्यमान अनुपात) के साथ 433 K पर 6 घंटे तक PVC को संशोधित किया गया ताकि सल्फाइड और हाइड्रोसल्फाइड समूहों को पेश किया जा सके। इसके बाद इन्हें नाइट्रिक एसिड का उपयोग करके ऑक्सीकृत किया गया ताकि एक सल्फोकेशन विनिमयकर्ता (PVC-SO$_3$H) प्राप्त हो सके।
   • चरण 2 (अमीनीकरण): PVC-SO$_3$H को 423–433 K पर 5–6 घंटे के लिए पॉलीइथाइलीन-पॉलीअमीन (PEPA) के 70–80% घोल के साथ अभिक्रिया कराई गई, जिससे अंतिम पॉलीएम्फोलिट प्राप्त हुआ जिसमें अमीन समूह शामिल हैं।
2. लक्षण वर्णन (Characterization): संरचनात्मक, रूपात्मक और भौतिक-रासायनिक गुणों को निर्धारित करने के लिए सामग्री का विश्लेषण FTIR, SEM-EDX, TGA, DSC, BET, और BJH सतह विश्लेषण का उपयोग करके किया गया।
3. अधिशोषण अध्ययन: प्रयोग कृत्रिम ट्राईआयोडाइड ($\text{I}_3^-$) समाधानों का उपयोग करके किए गए। गतिकी (Kinetics) का मूल्यांकन छद्म-प्रथम-क्रम और छद्म-द्वितीय-क्रम मॉडल का उपयोग करके किया गया। साम्यावस्था डेटा को लैंगमुइर और फ्रुंडलिच आइसोथर्म मॉडल में फिट किया गया। 293 K, 303 K, और 313 K के तापमान पर ऊष्मागतिक मापदंडों ($\Delta G$, $\Delta H$, $\Delta S$) की गणना की गई।
4. व्यावहारिक अनुप्रयोग: अधिशोषक का परीक्षण गतिशील अधिशोषण के लिए एक कॉलम में किया गया और NaOH एवं HCl का उपयोग करके 10 चक्रों के अधिशोषण-विशोषण (sorption-desorption) परीक्षण किए गए। अंत में, इसे उज्बेकिस्तान के एक मेडिकल क्लिनिक के वास्तविक अपशिष्ट जल पर लागू किया गया जिसमें 162 mg L$^{-1}$ आयोडीन था।

मुख्य परिणाम

• अभिक्रिया गतिकी और सक्रियण ऊर्जा: सल्फोकेशन विनिमयकर्ता की अमीनीकरण अभिक्रिया का निर्धारण PEPA सांद्रता के संबंध में 1.1 के अभिक्रिया क्रम के साथ किया गया। इस संशोधन के लिए सक्रियण ऊर्जा लगभग 70 kJ/mol गणना की गई थी, जो सीधे PVC संशोधन (PEPA के साथ) के लिए रिपोर्ट किए गए 138.5 kJ/mol से कम है, जो यह सुझाव देता है कि सल्फो समूह अभिक्रिया को सुगम बनाते हैं।
• सामग्री के गुण: संश्लेषित पॉलीएम्फोलिट में एक मेसोपोरस संरचना है जिसका BET सतह क्षेत्र 5.50 m$^2$ g$^{-1}$ और छिद्र व्यास 14.58 nm है। FTIR ने सल्फो (-SO$_3$H) और द्वितीयक/तृतीयक अमीन समूहों की उपस्थिति की पुष्टि की। तापीय विश्लेषण ने संकेत दिया कि सामग्री औद्योगिक उपयोग के लिए स्थिर है, जिसका अपघटन लगभग 22 आनंद (°C) के आसपास शुरू होता है।
• अधिशोषण प्रदर्शन:
  • क्षमता: $\text{I}_3^-$ आयनों के लिए अधिकतम अधिशोषण क्षमता ($q_{max}$) 303 K पर 705 mg g$^{-1}$ है।
  • आइसोथर्म: अधिशोषण डेटा लैंगमुइर मॉडल में सबसे अच्छी तरह फिट हुआ ($R^2 = 0.9987$), जो एक सजातीय सतह पर मोनोलेयर अधिशोषण को दर्शाता है। पृथक्करण कारक ($R_L$) ने अनुकूल अधिशोषण का संकेत दिया।
  • गतिकी: प्रक्रिया छद्म-द्वितीय-क्रम गतिकी मॉडल का पालन करती है ($R^2 > 0.999$), जो इलेक्ट्रॉन के साझाकरण या विनिमय के माध्यम से संयोजकता बलों (valence forces) वाले केमिज़ोर्प्शन (chemisorption) का सुझाव देती है।
  • ऊष्मागतिकी: धनात्मक एन्थैल्पी ($\Delta H = 56.4$ kJ mol$^{-1}$) ने प्रक्रिया की ऊष्माशोषी (endothermic) प्रकृति की पुष्टि की, जबकि ऋणात्मक गिब्स मुक्त ऊर्जा ($\Delta G$) ने स्वतःस्फूर्तता (spontaneity) को दर्शाया।
• pH निर्भरता: अधिकतम अधिशोषण दक्षता (80% से अधिक) pH 6–7 की सीमा में देखी गई। निम्न pH पर, अधिशोषण नगण्य था; उच्च pH पर, अमीन समूहों के विप्रोटॉनन (deprotonation) के कारण दक्षता गिर गई।
• पुन: प्रयोज्यता और वास्तविक-विश्व अनुप्रयोग: अधिशोषक ने 10 चक्रों में उच्च दक्षता बनाए रखी। वास्तविक अपशिष्ट जल उपचार में, सामग्री ने 10 चक्रों के बाद आयोडीन की सांद्रता को 162 mg L$^{-1}$ से घटाकर 42 mg L$^{-1}$ से नीचे कर दिया, जो विश्व स्वास्थ्य संगठन (WHO) के मानकों (40–50 mg L$^{-1}$) को पूरा करता है।

महत्व और दावे
यह शोध दावा करता है कि संश्लेषित PVC-(SO$_3$H)-NH-PАМ चिकित्सा अपशिष्ट जल से विषाक्त आयोडीन को हटाने के लिए एक टिकाऊ, पर्यावरण के अनुकूल और लागत प्रभावी समाधान है। एक व्यापक रूप से उपलब्ध औद्योगिक बहुलक (PVC) के दो-चरणीय संशोधन का उपयोग करके, लेखक प्रदर्शित करते हैं कि यह विधि एक उच्च-क्षमता वाला अधिशोषक (705 mg g$^{-1}$) प्रदान करती है जिसमें उत्कृष्ट पुन: प्रयोज्यता है। अध्ययन इस बात पर प्रकाश डालता है कि पॉलीएम्फोलिट की द्विफंक्शनल प्रकृति (जिसमें दोनों धनायनिक और ऋणायनात्मक समूह शामिल हैं) आयोडीन प्रजातियों के साथ प्रभावी आयन विनिमय और समन्वय बंधन (coordination bonding) को सुगम बनाती है। लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि यह सामग्री चिकित्सा क्लिनिक के अपशिष्ट जल से रेडियोधर्मी आयोडीन के दीर्घकालिक, प्रभावी शुद्धिकरण के लिए उपयुक्त है, जो कि अधिक महंगे या जटिल धातु-आधारित अधिशोषकों के लिए एक व्यावहारिक विकल्प प्रदान करती है।