A new strategy to prepare an activated adsorbent by water treatment plant sludge for Amoxicillin removal: optimization, characterization, isotherm, and kinetics studies
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि अनुकूलित परिस्थितियों में, HCl-सक्रिय पेयजल उपचार की कीचड़ (स्लज) पानी से एमोक्सिसिलिन को हटाने के लिए एक प्रभावी, पुन: प्रयोज्य अधिशोषक के रूप में कार्य करती है, जिसका अधिशोषण व्यवहार लैंगमुइर आइसोथर्म द्वारा सर्वोत्तम रूप से वर्णित है और भौतिक अंतःक्रियाओं द्वारा प्रधान है।
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पानी जीवन का आधार है, फिर भी इसका उपयोग करने की प्रक्रिया अक्सर अदृश्य प्रदूषकों का एक निशान पीछे छोड़ देती है। जैसे-जैसे मानव आबादी बढ़ रही है और उद्योग विस्तार कर रहे हैं, हम जो पानी पीते हैं और जो पानी हम छोड़ते हैं, उसमें दवाओं, व्यक्तिगत देखभाल उत्पादों और औद्योगिक रसायनों के अंश तेजी से मिल रहे हैं। इनमें, एमोक्सिसिलिन (amoxicillin) जैसे एंटीबायोटिक्स एक विशेष चुनौती पेश करते हैं। ये दवाएं बैक्टीरिया को मारने के लिए बनाई गई हैं, लेकिन जब वे हमारे शरीर से होकर गुजरती हैं और हमारे जल आपूर्ति में प्रवेश करती हैं, तो वे हमेशा गायब नहीं होतीं। इसके बजाय, वे बनी रहती हैं, जिससे जलीय पारिस्थितिकी तंत्र को नुकसान पहुँच सकता है और दवा-प्रतिरोधी बैक्टीरिया के विकास को बढ़ावा मिल सकता है जो मानव स्वास्थ्य के लिए खतरा पैदा करते हैं। पारंपरिक जल उपचार संयंत्र अक्सर इन विशिष्ट रासायनिक अवशेषों को छानने के लिए सुसज्जित नहीं होते हैं, जिससे इस बात के बीच एक अंतर रह जाता है कि हमें सफाई के लिए किसकी आवश्यकता है और हमारी वर्तमान तकनीक क्या हासिल कर सकती है।
इस बढ़ती समस्या के जवाब में, वैज्ञानिक ऐसे समाधान खोज रहे हैं जो न केवल प्रभावी हों बल्कि टिकाऊ और किफायती भी हों। एक आशाजनक मार्ग में एक अपशिष्ट उत्पाद को संसाधन में बदलना शामिल है। जल उपचार संयंत्र भारी मात्रा में कीचड़ (sludge) उत्पन्न करते हैं—पानी को साफ करने के बाद बचा हुआ एक गाढ़ा, अर्ध-ठोस अवशेष। आमतौर पर, इस कीचड़ को एक बोझ के रूप में माना जाता है, जिसे अक्सर लैंडफिल में दफना दिया जाता है जहाँ यह जगह घेरता है और कोई लाभ नहीं देता। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने इस सवाल पर विचार करना शुरू किया है कि क्या इस फेंके गए पदार्थ को कुछ उपयोगी चीज़ में बदला जा सकता है, विशेष रूप से पर्यावरण में बाहर निकलने से पहले पानी से हानिकारक दवाओं को पकड़ने और हटाने वाले एक उपकरण में।
ईरान की शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस चुनौती को स्वीकार किया है, और पीने के पानी के उपचार के कीचड़ को एक शक्तिशाली सफाई एजेंट में बदलने की एक नई विधि विकसित की है। उनका कार्य एक विशेष सामग्री बनाने पर केंद्रित है जो पानी से एमोक्सिसिलिन को खींच सके। यह प्रक्रिया तेहरान में जल उपचार सुविधाओं से कच्चे कीचड़ के संग्रह के साथ शुरू होती है। इस गीले, कीचड़युक्त पदार्थ को पहले सुखाया जाता है और बारीक पाउडर में पीस लिया जाता है। इसे प्रभावी बनाने के लिए, शोधकर्ता इस पाउडर को हाइड्रोक्लोरिक एसिड के हल्के घोल के साथ उपचारित करते हैं। यह रासायनिक धुलाई एक गहरी सफाई की तरह कार्य करती है, अशुद्धियों को हटाती है और सामग्री की सतह को बदलकर इसे दवा के अणुओं को पकड़ने के लिए अधिक ग्रहणशील बनाती है। परिणाम एक नए प्रकार का अधिशोषक (adsorbent) है, एक ऐसी सामग्री जो स्पंज की तरह कार्य करती है, प्रदूषकों को पकड़ती है और उन्हें मजबूती से थामे रखती है।
उन्होंने जो बनाया था उसे ठीक से समझने के लिए, वैज्ञानिकों ने उन्नत इमेजिंग और विश्लेषण उपकरणों के एक समूह का उपयोग करके सामग्री का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि एसिड उपचार ने कीचड़ की भौतिक संरचना को बदल दिया, जिससे सूक्ष्म छिद्रों और चैनलों का एक नेटवर्क बन गया जो कच्चे माल में मौजूद नहीं था। ये छिद्र महत्वपूर्ण हैं क्योंकि वे एक विशाल सतह क्षेत्र प्रदान करते हैं जहाँ दवा के अणु जुड़ सकते हैं। विश्लेषण ने यह भी बताया कि यह सामग्री लोहे और सिलिकॉन जैसे खनिजों से समृद्ध है, जो नए अधिशोषक की रीढ़ बनाते हैं। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि उपचार ने सफलतापूर्वक अवांछित कार्बोनेट खनिजों को हटा दिया जबकि उच्च प्रदर्शन के लिए आवश्यक छिद्रपूर्ण संरचना को सुरक्षित रखा।
इसके बाद टीम ने अपने नए पदार्थ का परीक्षण किया, एमोक्सिसिलिन को हटाने के लिए सर्वोत्तम स्थितियों को निर्धारित करने के लिए सावधानीपूर्वक डिजाइन किए गए प्रयोगों की एक श्रृंखला चलाई। उन्होंने पानी की अम्लता, अधिशोषक की मात्रा, तापमान और मिश्रण को कितनी देर तक छोड़ा गया, इसमें भिन्नता की। उन्होंने पाया कि यह सामग्री तब सबसे अच्छा काम करती है जब पानी थोड़ा अम्लीय होता है, विशेष रूप से 6 के pH पर। इन परिस्थितियों में, अधिशोषक की एक विशिष्ट मात्रा को पानी में मिलाने पर, सामग्री दवा को पकड़ने में अत्यधिक प्रभावी सिद्ध हुई। यह प्रक्रिया कमरे के तापमान पर सबसे कुशल पाई गई, जिससे पता चलता है कि वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोग के लिए किसी महंगे हीटिंग या कूलिंग सिस्टम की आवश्यकता नहीं होगी।
उनके जांच का एक प्रमुख हिस्सा यह समझना था कि दवा के अणु कैसे चलते हैं और सतह पर कैसे चिपकते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि अधिशोषण प्रक्रिया एक अनुमानित पैटर्न का पालन करती है जहाँ दवा के अणु सामग्री की सतह पर एक एकल, समान परत बनाते हैं, न कि अव्यवस्थित ढेरों के रूप में जमा होते हैं। यह व्यवहार, जिसे लैंगमुइर आइसोथर्म (Langmuir isotherm) नामक एक विशिष्ट गणितीय मॉडल द्वारा वर्णित किया गया है, यह दर्शाता है कि नए अधिशोषक की सतह बहुत सुसंगत और विश्वसनीय है। इसके अलावा, अध्ययन ने दिखाया कि दवा और अधिशोषक के बीच का बंधन रासायनिक के बजाय भौतिक है। यह एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष है क्योंकि इसका अर्थ है कि बंधन दवा को थामने के लिए पर्याप्त मजबूत है लेकिन बाद में इसे तोड़ने के लिए पर्याप्त कमजोर है, जिससे सामग्री को साफ किया जा सके और पुन: उपयोग किया जा सके।
इस नई सामग्री के स्थायित्व का भी परीक्षण किया गया। शोधकर्ताओं ने पाया कि अधिशोषक को पुनर्जीवित और कई बार पुन: उपयोग किया जा सकता है। पानी के एक बैच को साफ करने के बाद, सामग्री को धोकर फिर से सेवा में लगाया जा सकता है। इसने उपयोग के छह चक्रों के बाद भी उच्च स्तर की प्रभावशीलता बनाए रखी, और दवा को 81.1 प्रतिशत हटाने की क्षमता बरकरार रखी। यह पुन: प्रयोज्यता प्रक्रिया को आर्थिक रूप से व्यवहार्य बनाने के लिए महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह नई सामग्री को लगातार बनाने की आवश्यकता को कम करती है।
शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि पानी के अन्य कारक सफाई प्रक्रिया में कैसे हस्तक्षेप कर सकते हैं। उन्होंने पाया कि यदि पानी में नमक का स्तर उच्च है, तो अधिशोषक की दक्षता थोड़ी कम हो जाती है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि नमक के आयन सामग्री की सतह पर स्थान के लिए दवा के अणुओं के साथ प्रतिस्पर्धा करते हैं। हालाँकि, इस प्रतिस्पर्धा के बावजूद, सामग्री प्रभावी बनी रही, जिससे पता चलता है कि यह वास्तविक दुनिया के अपशिष्ट जल की जटिलताओं को संभाल सकती है।
इस प्रक्रिया के लिए अनुकूलतम स्थितियों को अनुकूलित करके, टीम ने अधिकतम दक्षता के लिए एक सटीक नुस्खा पहचाना। उन्होंने निर्धारित किया कि एमोक्सिसिलिन को हटाने के लिए 25 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर 110 मिनट के संपर्क समय के साथ, प्रति लीटर पानी में 1.4 ग्राम अधिशोषक का उपयोग करने से सर्वोत्तम परिणाम मिलते हैं। ये निष्कर्ष बताते हैं कि एक सामान्य अपशिष्ट उत्पाद से प्राप्त सामग्री को जल शोधन के एक परिष्कृत उपकरण में बदला जा सकता है। यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने एंटीबायोटिक प्रदूषण की वैश्विक समस्या को रातों-रात हल कर दिया है, लेकिन यह एक ठोस, कम लागत वाली रणनीति प्रदान करता है जो अपशिष्ट प्रबंधन के मुद्दे को जल गुणवत्ता के समाधान में बदल देता है। अपशिष्ट उत्पाद के माध्यम से, यह दृष्टिकोण चक्रीय अर्थव्यवस्था (circular economy) के सिद्धांतों के अनुरूप है, जहाँ अपशिष्ट को न्यूनतम किया जाता है और संसाधनों को लंबे समय तक उपयोग में रखा जाता है। यह कार्य प्रदर्शित करता है कि सही रासायनिक उपचार और वैज्ञानिक समझ के साथ, जिसे कभी कचरा माना जाता था, वह हमारे पानी को साफ रखने की लड़ाई में एक मूल्यवान संपत्ति बन सकता है।
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