Assessment of Metal-Organic Framework Incorporated Thin Film Nanocomposite Membrane in Real Seawater Desalination Via Pressure Assisted Osmosis
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि पतली फिल्म नैनोकम्पोजिट झिल्लियों में 0.05 wt% हाइड्रोफिलिक एल्युमीनियम फ्यूमरेट मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क (MOF) को शामिल करने से जल पारगम्यता और लवण अस्वीकृति में महत्वपूर्ण वृद्धि होती है, जिससे दबाव-सहायता प्राप्त ऑस्मोसिस के माध्यम से कुशल वास्तविक समुद्री जल अलवणीकरण के लिए 9.35 Lm⁻²h⁻¹ का स्थिर फ्लक्स प्राप्त होता है।
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मीठा पानी एक बहुमूल्य संसाधन है, और समुद्र के खारेपन को पीने योग्य तरल में बदलना मानवता की सबसे निरंतर इंजीनियरिंग चुनौतियों में से एक है। दशकों से, वैज्ञानिक 'रिवर्स ऑस्मोसिस' नामक विधि पर निर्भर रहे हैं, जो नमक को बाहर निकालने के लिए अत्यधिक दबाव का उपयोग करके समुद्री जल को एक महीन फिल्टर के माध्यम से धकेलती है। प्रभावी होने के बावजूद, इस प्रक्रिया के लिए बहुत अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है। एक नया, कोमल दृष्टिकोण जिसे 'फॉरवर्ड ऑस्मोसिस' कहा जाता है, एक नमकीन घोल के प्राकृतिक खिंचाव का उपयोग करके झिल्ली (मेम्ब्रेन) के माध्यम से पानी को खींचता है, जिसमें बहुत कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है लेकिन अक्सर बड़े पैमाने पर उपयोग के लिए पानी बहुत धीरे उत्पन्न होता है। इस अंतर को पाटने के लिए, शोधकर्ताओं ने 'प्रेशर-असिस्टेड ऑस्मोसिस' नामक एक हाइब्रिड तकनीक विकसित की है। यह विधि ऑस्मोसिस के प्राकृतिक खिंचाव को हाइड्रोलिक दबाव के एक छोटे, कोमल धक्के के साथ जोड़ती है, जिसका लक्ष्य पारंपरिक तरीकों की भारी ऊर्जा लागत के बिना ताजे पानी के प्रवाह को तेज करना है। हालाँकि, इस तकनीक की सफलता पूरी तरह से उपयोग की जाने वाली झिल्ली की गुणवत्ता पर निर्भर करती है; इसे दबाव झेलने के लिए पर्याप्त मजबूत होना चाहिए, फिर भी इतना छिद्रपूर्ण होना चाहिए कि नमक को पीछे रखते हुए पानी को तेजी से गुजरने दे सके।
हाल ही के एक अध्ययन में, कुवैत इंस्टीट्यूट फॉर साइंटिफिक रिसर्च के शोधकर्ताओं ने इस विशिष्ट उद्देश्य के लिए एक बेहतर झिल्ली बनाने का लक्ष्य रखा। उन्होंने एक 'थिन फिल्म नैनोकंपोजिट मेम्ब्रेन' बनाने पर ध्यान केंद्रित किया, जो एक परिष्कृत सामग्री है जो एक चयनात्मक अवरोध के रूप में कार्य करती है। इसके प्रदर्शन को सुधारने के लिए, उन्होंने झिल्ली की सतह में धातु-कार्बनिक ढांचे (मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क्स) के रूप में जाने जाने वाले सूक्ष्म, छिद्रयुक्त क्रिस्टल समाहित किए। विशेष रूप से, उन्होंने एल्युमीनियम और फ्यूमेरिक एसिड से बने एक प्रकार के क्रिस्टल का उपयोग किया, जिसे पानी के अणुओं को आकर्षित करने की क्षमता और नमकीन वातावरण में इसकी स्थिरता के लिए चुना गया था। टीम ने इन झिल्लियों को एक छिद्रयुक्त सहायक कपड़े पर एक पतली पॉलियामाइड त्वचा की परत चढ़ाकर तैयार किया, एक ऐसी प्रक्रिया जहाँ एल्युमीनियम क्रिस्टल को पानी के यात्रा करने के लिए नए मार्ग बनाने हेतु मिलाया गया था। इसके बाद उन्होंने इन नई झिल्लियों का परीक्षण तट से एकत्र किए गए वास्तविक समुद्री जल का उपयोग करके किया, जिसमें उन्होंने अत्यधिक सांद्रित नमक के घोल के विरुद्ध कोमल दबाव के विभिन्न स्तरों के तहत देखा कि कितना पानी प्राप्त किया जा सकता है और नमक को कितनी अच्छी तरह रोका जा सकता है।
अध्ययन के परिणाम उत्साहजनक थे। शोधकर्ताओं ने पाया कि एल्युमीनियम क्रिस्टल जोड़ने से झिल्ली के व्यवहार में महत्वपूर्ण बदलाव आया। नई झिल्लियाँ बहुत अधिक 'हाइड्रोफिलिक' (जल-स्नेही) हो गईं, जिसका अर्थ है कि उनमें पानी के प्रति एक मजबूत प्राकृतिक आकर्षण था, जिससे पानी आसानी से गुजर सका। वास्तविक समुद्री जल के साथ परीक्षण करने पर, एल्युमीनियम क्रिस्टल की एक छोटी मात्रा (विशेष रूप से भार के अनुसार 0.05 प्रतिशत) वाले झिल्ली ने मानक नियंत्रण झिल्लियों की तुलना में बेहतर प्रदर्शन किया। इसने 9.35 लीटर प्रति वर्ग मीटर प्रति घंटा की स्थिर प्रवाह दर हासिल की और साथ ही 98.9±1.1% की नमक अस्वीकरण दर बनाए रखी। इसका अर्थ यह है कि पानी की प्रत्येक इकाई के गुजरने के लिए, लगभग सारा नमक पीछे रह गया। महत्वपूर्ण रूप से, झिल्ली ने ताजे पानी में नमक के वापस लीक होने की कम प्रवृत्ति भी प्रदर्शित की, जो ऑस्मोटिक प्रक्रियाओं में एक सामान्य समस्या है जो दक्षता को कम करती है।
केवल पानी को चलाने के अलावा, अध्ययन ने पुष्टि की कि ये नई झिल्लियाँ इस काम के लिए भौतिक रूप से मजबूत भी थीं। एल्युमीनियम क्रिस्टल ने संरचना को सुदृढ़ करने में मदद की, जिससे झिल्ली परीक्षण के दौरान लगाए गए दबाव के प्रति अधिक मजबूत और प्रतिरोधी बन गई। शोधकर्ताओं ने देखा कि क्रिस्टल ने एक खुरखी, अधिक बनावट वाली सतह बनाई, जिससे पानी के झिल्ली के साथ संपर्क करने के लिए उपलब्ध क्षेत्र बढ़ गया। सतह में इस संरचनात्मक परिवर्तन ने, सामग्री की पानी को आकर्षित करने की प्राकृतिक क्षमता के साथ मिलकर, 'इंटरनल कंसन्ट्रेशन पोलराइजेशन' नामक घटना को कम करने में मदद की, जहाँ नमक झिल्ली के अंदर जमा हो जाता है और प्रवाह को धीमा कर देता है। आंतरिक मार्गों को जाम होने से रोककर, झिल्ली ने प्रयोग के दौरान एक स्थिर प्रदर्शन बनाए रखा।
टीम ने यह भी पता लगाया कि दबाव के विभिन्न स्तर परिणाम को कैसे प्रभावित करते हैं। उन्होंने पाया कि शून्य से दो बार (बार) के बीच मध्यम दबाव लगाने से पानी का प्रवाह काफी बढ़ गया। उच्च दबाव पर, पानी तेजी से चला, लेकिन जैसे-जैसे ड्रॉ सॉल्यूशन पतला हुआ, फीड वाटर में नमक की सांद्रता भी तेजी से बढ़ी। एल्युमीनियम क्रिस्टल की इष्टतम मात्रा वाली झिल्ली ने इन कारकों को प्रभावी ढंग से संतुलित किया, जिससे ताजे पानी की गुणवत्ता से समझौता किए बिना उच्च प्रवाह दर प्राप्त हुई। अध्ययन सुझाव देता है कि इस विशिष्ट प्रकार का एल्युमीनियम-आधारित ढांचा अगली पीढ़ी के अलवणीकरण (डिसैलिनेशन) प्रणालियों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार है, विशेष रूप से उच्च लवणता वाले समुद्री क्षेत्रों में जहाँ दक्षता और स्थायित्व सर्वोपरि है।
हालाँकि अध्ययन ने वास्तविक समुद्री जल के साथ प्रयोगशाला-स्तर के परीक्षणों पर ध्यान केंद्रित किया, लेकिन निष्कर्ष इस ओर संकेत करते हैं कि हम जल संकट के प्रति अपने दृष्टिकोण में कैसे ठोस सुधार कर सकते हैं। शोध ने वैश्विक जल संकट को हल करने का दावा नहीं किया, लेकिन इसने झिल्ली तकनीक में एक स्पष्ट, मापने योग्य प्रगति का प्रदर्शन किया। यह सिद्ध करके कि ये विशिष्ट क्रिस्टल झिल्ली की गति और शक्ति दोनों को बढ़ा सकते हैं, शोधकर्ताओं ने यह ठोस उदाहरण प्रदान किया कि कैसे नैनोमटेरियल्स को व्यावहारिक इंजीनियरिंग समस्याओं को हल करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि अलवणीकरण का भविष्य केवल बड़ी मशीनें बनाने में नहीं, बल्कि उन फिल्टरों की सूक्ष्म वास्तुकला को परिष्कृत करने में निहित है जो नमक को पानी से अलग करते हैं।
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