Synergistic dual-modification of polyurethane sponge with MIL-53(Al) and dimethylsilicone oil for efficient oil–water separation of oily sludge thermal washing wastewater

तेल और पानी प्राकृतिक दुश्मन हैं। जब वे आपस में मिलते हैं, जैसा कि अक्सर किसी औद्योगिक दुर्घटना के बाद या कच्चे तेल के प्रसंस्करण के दौरान होता है, तो वे एक जिद्दी, मैला इमल्शन (emulsion) बना देते हैं जिसे अलग करना अविश्वसनीय रूप से कठिन होता है। यह उन उद्योगों के लिए एक निरंतर समस्या है जो तैलीय कीचड़ (oily sludge) का काम करते हैं, जो एक खतरनाक अपशिष्ट उत्पाद है जो तेल निकालने और उसे रिफाइन करने के दौरान बनता है। इस कीचड़ को साफ करने के लिए, कंपनियां अक्सर तेल को बाहर निकालने के लिए गर्मी और पानी का उपयोग करती हैं, लेकिन यह प्रक्रिया भारी मात्रा में अपशिष्ट जल उत्पन्न करती है जो सूक्ष्म, निलंबित तेल की बूंदों और रासायनिक प्रदूषकों से भरा होता है। इस पानी को साफ करने के पारंपरिक तरीके, जैसे कि इसे जलाना या कठोर रसायनों का उपयोग करना, या तो व्यर्थ हैं या नई पर्यावरणीय आपदाएं पैदा करते हैं। सबसे आशाजनक समाधान लंबे समय से एक ऐसी सामग्री का उपयोग करना रहा है जो स्पंज की तरह कार्य करे, लेकिन इतनी स्मार्ट हो कि वह तेल को पी ले जबकि पानी को सीधे गुजरने दे। हालांकि, साधारण स्पंज चयनात्मक नहीं होते; वे दोनों को सोख लेते हैं, या एक बार उपयोग के बाद बंद होकर बेकार हो जाते हैं।

झेजियांग साइंस एंड टेक यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक नए प्रकार का स्पंज विकसित किया है जो दो अलग-अलग सामग्रियों को एक एकल, अत्यधिक कुशल उपकरण में मिलाकर इन समस्याओं को हल करता है। उन्होंने एक मानक पॉलीयूरेथेन फोम (polyurethane foam) से शुरुआत की, जो घरेलू स्पंजों में पाए जाने वाले नरम, छिद्रपूर्ण पदार्थ जैसा है, और इसे एक दोहरी-परत वाला नया रूप दिया। सबसे पहले, उन्होंने स्पंज को एक मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (metal-organic framework) से कोट किया, जो एल्युमीनियम और कार्बनिक अणुओं से बनी एक क्रिस्टलीय सामग्री है जो सूक्ष्म, सूक्ष्म सुरंगों का एक विशाल नेटवर्क बनाती है। यह परत विशाल सतह क्षेत्र और खुरदरापन जोड़ती है, जिससे तेल के अणुओं के फंसने के लिए अनगिनत कोने और दरारें उपलब्ध होती हैं। दूसरा, उन्होंने पूरी संरचना को डाइमिथाइलसिलिकोन ऑयल (dimethylsilicone oil) के साथ उपचारित किया, जो पानी को दूर धकेलने और तेल को आकर्षित करने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है। यह संयोजन एक ऐसी सतह बनाता है जो इतनी जल-विकर्षक (water-repellent) है कि पानी की बूंदें बन जाती हैं और लुढ़क जाती हैं, जबकि तेल तुरंत अंदर खिंचा चला आता है।

टीम ने इस नए कंपोजिट स्पंज, जिसे उन्होंने M/Si-6@PU नाम दिया, का वास्तविक अपशिष्ट जल पर परीक्षण किया जो तैलीय कीचड़ को धोने से उत्पन्न हुआ था। परिणाम आश्चर्यजनक थे। जब तेल की एक बूंद संशोधित स्पंज की सतह को छूती है, तो वह केवल 2.6 सेकंड में सामग्री के भीतर गायब हो जाती है, जो कि एक अनमॉडिफाइड (unmodified) स्पंज द्वारा उसी बूंद को सोखने में लगने वाले समय का लगभग आधा है। स्पंज अपने स्वयं के वजन के सापेक्ष भारी मात्रा में तेल धारण करने में सक्षम सिद्ध हुआ। यह अपने प्रत्येक ग्राम स्पंज के लिए 43 ग्राम टोल्यूनि (toluene) को सोख सकता था, और इसने पंप ऑयल, डीजल और वनस्पति तेल जैसे अन्य सामान्य तेलों के साथ भी समान रूप से अच्छा प्रदर्शन किया। वास्तविक औद्योगिक अपशिष्ट जल की जटिल, गंदी वास्तविकता का सामना करने के बावजूद, स्पंज ने प्रति ग्राम सामग्री पर 31 ग्राम तेल को धारण किया।

तेल को तेजी से पकड़ने की अपनी क्षमता के अलावा, स्पंज ने उल्लेखनीय स्थायित्व का प्रदर्शन किया। उन परीक्षणों में जहाँ सामग्री का उपयोग बार-बार अपशिष्ट जल को छानने के लिए किया गया, इसने पहले आठ चक्रों में 99 प्रतिशत से अधिक पृथक्करण दक्षता बनाए रखी। तीस चक्रों के उपयोग के बाद भी, इसने अभी भी 93 प्रतिशत से अधिक तेल को हटाया, जिससे पता चलता है कि यह आसानी से घिसता नहीं है या अपनी प्रभावशीलता नहीं खोता है। शोधकर्ताओं ने अत्यधिक स्थितियों में इसकी सहनशीलता का भी परीक्षण किया, जिसमें इसे एक घंटे के लिए अत्यधिक अम्लीय और अत्यधिक क्षारीय तरल पदार्थों में डुबोकर रखा गया। हालांकि उस समय के बाद स्पंज गीला होने के संकेत दिखाने लगा, लेकिन इसने अपनी हाइड्रोफोबिक (hydrophobic) विशेषताओं को इतने समय तक बनाए रखा कि यह उन कठोर औद्योगिक वातावरणों में उपयोगी रहा जहाँ अन्य सामग्रियां तुरंत विफल हो सकती हैं।

इस सफलता के पीछे का तंत्र दो कोटिंग्स द्वारा बनाई गई अनूठी संरचना पर निर्भर करता है। मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क एक खुरदरी, पदानुक्रमित बनावट प्रदान करता है जो हवा की छोटी जेबों को फंसा लेता है, जिससे एक अवरोध बनता है जिसे पानी आसानी से पार नहीं कर सकता। इस बीच, सिलिकोन ऑयल की परत स्पंज की सतह ऊर्जा को कम करती है, जिससे यह स्वाभाविक रूप से तेल के प्रति आकर्षित और पानी के प्रति विकर्षक हो जाता है। जब अपशिष्ट जल स्पंज को छूता है, तो सूक्ष्म संरचनाएं स्थिर इमल्शन को भौतिक रूप से तोड़ देती हैं, जिससे तेल को केशिका बलों (capillary forces) द्वारा स्पंज के छिद्रों में गहराई तक खींचा जा सकता है। साथ ही, कोटिंग की रासायनिक प्रकृति यह सुनिश्चित करती है कि तेल स्पंज से मजबूती से चिपका रहे जबकि पानी प्रवाहित होता रहे। यह दोहरी क्रिया सामग्री को न केवल मुक्त-तैरते तेल को अलग करने की अनुमति देती है, बल्कि घुलित कार्बनिक प्रदूषकों और इमल्सीफाइड बूंदों को भी पकड़ने की अनुमति देती है जो आमतौर पर अन्य फिल्टरों से निकल जाते हैं।

यह अध्ययन पुष्टि करता है कि यह दृष्टिकोण कठिन औद्योगिक कचरे के उपचार के लिए एक व्यवहार्य मार्ग है। इन दो सामग्रियों को लागू करने के लिए एक सरल डिपिंग प्रक्रिया (dipping process) का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा स्केलेबल समाधान बनाया है जिसके लिए जटिल मशीनरी या महंगे रसायनों की आवश्यकता नहीं है। वास्तविक दुनिया के अपशिष्ट जल को संभालने, रासायनिक क्षरण का विरोध करने और कई उपयोगों के बाद उच्च प्रदर्शन बनाए रखने की स्पंज की क्षमता बताती है कि यह तेल रिसाव को साफ करने और औद्योगिक अपवाह के उपचार के लिए एक व्यावहारिक उपकरण हो सकता है। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि कैसे एक कठोर, छिद्रपूर्ण संरचना को एक लचीली, जल-विकर्षक कोटिंग के साथ मिलाने से एक ऐसी सामग्री बनाई जा सकती है जो अपने हिस्सों के योग से कहीं अधिक प्रभावी है, जो पर्यावरणीय सफाई की एक स्थायी चुनौती से निपटने का एक नया तरीका प्रदान करती है।