Hydration-Activated Dolomite as a Medium-Temperature Sorbent for Integrated CO2 Capture and In Situ Reverse Water-Gas Shift

दुनिया वायुमंडल में कार्बन डाइऑक्साइड के संचय को रोकने के तरीके खोज रही है, जो एक ऐसी गैस है जो गर्मी को रोकती है और जलवायु परिवर्तन को बढ़ावा देती है। एक आशाजनक दृष्टिकोण में इस गैस को सीधे कारखानों और बिजली संयंत्रों के धुएं (स्मोकस्टैक) से पकड़ना, और फिर उसे तुरंत उपयोगी ईंधन या रसायनों में बदलना शामिल है। यह एकीकृत प्रक्रिया, जिसे ICCU-RWGS कहा जाता है, एक ठोस पदार्थ पर निर्भर करती है जिसे 'सोरबेंट' (sorbent) कहा जाता है जो कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ता है। सबसे आम सोरबेंट कैल्शियम से बने होते हैं, जो चूना पत्थर और डोलोमाइट जैसी चट्टानों में पाया जाने वाला एक सस्ता और प्रचुर तत्व है। हालांकि, एक महत्वपूर्ण बाधा ने इस तकनीक के व्यापक उपयोग को रोक दिया है: तापमान का बेमेल होना। कारखानों से निकलने वाला औद्योगिक धुआं आमतौर पर गर्म होता है, जो 200 से 500 डिग्री सेल्सियस के बीच होता है, लेकिन कैल्शियम-आधारित सोरबेंट केवल तब सबसे अच्छा काम करते हैं जब वे बहुत अधिक गर्म होते हैं, लगभग 600 से 700 डिग्री सेल्सियस। फैक्ट्री के धुएं के तापमान से मेल खाने के लिए उसे गर्म करने में बहुत अधिक ऊर्जा बर्बाद होगी, जबकि सोरबेंट का उपयोग फैक्ट्री के प्राकृतिक तापमान पर करने से ऐतिहासिक रूप से बहुत खराब प्रदर्शन हुआ है।

तियानजिन विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने सोरबेंट की भौतिक संरचना को फैक्ट्री के धुएं के पास पहुँचने से पहले ही बदलकर इस अंतर को पाटने का एक तरीका खोजा है। चट्टान का मानक, पके हुए रूप में उपयोग करने के बजाय, उन्होंने इसे पानी के साथ उपचारित किया। हाइड्रेशन (hydration) के रूप में जानी जाने वाली यह सरल प्रक्रिया, चट्टान में मौजूद कैल्शियम को एक अलग रासायनिक रूप में बदल देती है जो कम तापमान पर कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ने के लिए बहुत अधिक उत्सुक होता है। चट्टान को पानी में भिगोकर और फिर सुखाकर, टीम ने एक ऐसा पदार्थ तैयार किया जो मध्यम-तापमान सीमा में असाधारण रूप से अच्छा प्रदर्शन करता है जहाँ अधिकांश औद्योगिक उत्सर्जन मौजूद होता है। यह खोज बताती है कि एक कम लागत वाला, सरल प्रसंस्करण चरण वास्तविक दुनिया के कारखानों के लिए एकीकृत कार्बन कैप्चर की क्षमता को अनलॉक कर सकता है, जिससे एक सैद्धांतिक विचार एक व्यावहारिक उपकरण में बदल जाता है।

टीम ने प्राकृतिक डोलोमाइट से शुरुआत की, जो कैल्शियम और मैग्नीशियम से बना एक सामान्य खनिज है। उन्होंने पहले चट्टान को उच्च ताप पर पकाया ताकि मौजूदा कार्बन डाइऑक्साइड को हटाया जा सके, जिससे एक छिद्रपूर्ण, प्रतिक्रियाशील पाउडर पीछे रह गया। फिर, उन्होंने इस पाउडर के एक हिस्से को लिया और इसे 50 डिग्री सेल्सियस के मध्यम तापमान पर 30 मिनट के लिए पानी के साथ मिलाया। इस प्रक्रिया के कारण कैल्शियम ने पानी को अवशोषित किया और फैल गया, जिससे चट्टान की आंतरिक संरचना प्रभावी रूप से टूट गई और एक अधिक खुला, स्पंज जैसा बनावट (टेक्सचर) बन गया। शोधकर्ताओं ने प्रयोगशाला रिएक्टर के भीतर इस जल-उपचारित सामग्री, जिसे उन्होंने S-1 कहा, का परीक्षण मानक, अनुपचारित पकी हुई चट्टान (जिसे C-2 के रूप में जाना जाता है) के साथ किया। उन्होंने एक फैक्ट्री की स्थितियों का अनुकरण करने के लिए सामग्रियों को कार्बन डाइऑक्साइड युक्त गैस मिश्रण खिलाया, जो 400 डिग्री सेल्सियस पर था—एक ऐसा तापमान जो कई औद्योगिक उत्सर्जन धाराओं के लिए विशिष्ट है।

प्रदर्शन में अंतर बहुत स्पष्ट था। इस मध्यम तापमान पर, अनुपचारित चट्टान ने कार्बन डाइऑक्साइड को शायद ही कभी पकड़ा, और लगभग निष्क्रिय व्यवहार किया। इसके विपरीत, जल-उपचारित सामग्री ने गैस की एक महत्वपूर्ण मात्रा को पकड़ा। शोधकर्ताओं ने मापा कि उपचारित सोरबेंट ने सामग्री के प्रति ग्राम 4.86 मिलीमोल कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ा। यह अनुपचारित चट्टान द्वारा समान परिस्थितियों में पकड़ी गई मात्रा से चार गुना से भी अधिक था। एक बार कार्बन डाइऑक्साइड पकड़े जाने के बाद, शोधकर्ताओं ने सामग्री को 700 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया और हाइड्रोजन गैस पेश की। इस कदम ने एक रासायनिक प्रतिक्रिया को सक्रिय किया जिसने पकड़े गए कार्बन डाइऑक्साइड को कार्बन मोनोऑक्साइड में बदल दिया, जो सिंथेटिक ईंधन बनाने के लिए एक प्रमुख घटक है। उपचारित सामग्री ने प्रति ग्राम 2.59 मिलीमोल कार्बन मोनोऑक्साइड का उत्पादन किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह न केवल गैस को पकड़ सकती है बल्कि इसे कुशलतापूर्वक परिवर्तित भी कर सकती है।

यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, शोधकर्ताओं ने सामग्री की संरचना को करीब से देखा। उन्होंने पाया कि जल उपचार के कारण कैल्शियम, कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड नामक यौगिक में बदल गया। इस नए यौगिक का आयतन मूल कैल्शियम ऑक्साइड की तुलना में बड़ा है, और इसके बनते ही, इसने कणों को दूर धकेल दिया, जिससे सूक्ष्म छिद्रों और चैनलों का एक नेटवर्क बन गया। इस संरचनात्मक परिवर्तन ने कार्बन डाइऑक्साइड गैस को सामग्री के भीतर गहराई तक बहने और अधिक सक्रिय साइटों तक पहुँचने की अनुमति दी। इसके विपरीत, अनुपचारित चट्टान अपेक्षाकृत सघन और ठोस बनी रही, जिससे कम तापमान पर गैस का प्रवेश प्रभावी ढंग से नहीं हो सका। डोलोमाइट में मौजूद मैग्नीशियम ने एक सहायक भूमिका निभाई, जो एक स्थिर ढांचे के रूप में कार्य करता है जो संरचना को थामे रखता है और उच्च-तापमान रूपांतरण चरणों के दौरान कैल्शियम कणों को आपस में जुड़ने से रोकता है।

अध्ययन ने यह भी जांचा कि क्या इस बेहतर प्रदर्शन को समय के साथ बनाए रखा जा सकता है। जब शोधकर्ताओं ने सामग्री को पुन: उपचार दिए बिना बार-बार कैप्चर और रूपांतरण प्रक्रिया चलाई, तो जल-उपचारित सोरबेंट का प्रदर्शन तेजी से गिरा। केवल तीन चक्रों के बाद, कार्बन डाइऑक्साइड पकड़ने की इसकी क्षमता काफी कम हो गई। ऐसा इसलिए हुआ क्योंकि रूपांतरण चरण की उच्च गर्मी ने सक्रिय कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड को वापस कम प्रतिक्रियाशील कैल्शियम ऑक्साइड में बदल दिया, जिससे सामग्री कम कैप्चर तापमान पर ठीक से कार्य करने में असमर्थ हो गई। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने एक सरल 'रीसेट' कदम पेश किया—प्रत्येक चक्र के बीच सामग्री को फिर से गीला करना—तो सोरबेंट ने अपनी संरचना और प्रदर्शन को पुनः प्राप्त कर लिया। मध्यवर्ती पुनर्जलीकरण (rehydration) के साथ पांच चक्रों में, सामग्री ने लगभग 3.0 मिलीमोल प्रति ग्राम की स्थिर कैप्चर क्षमता बनाए रखी, जो अनुपचारित चट्टान से कहीं बेहतर थी, जो पूरी प्रक्रिया के दौरान अप्रभावी रही।

शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि जल उपचार ने न केवल चट्टान के आकार को बदला बल्कि उसकी रासायनिक पहचान को भी बदल दिया। एक्स-रे विश्लेषण का उपयोग करते हुए, उन्होंने पूरी प्रक्रिया के माध्यम से सामग्री के रूपांतरण को ट्रैक किया। उन्होंने देखा कि कैल्शियम पके हुए रूप से जल-अवशोषित रूप में, फिर कार्बन-कैप्चर वाले रूप में, और अंत में रूपांतरण के बाद पके हुए रूप में बदल गया। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने देखा कि मैग्नीशियम घटक पूरी प्रक्रिया के दौरान स्थिर और अपरिवर्तित रहा, जो एक विश्वसनीय मचान (scaffold) के रूप में कार्य करता है। विश्लेषण ने यह भी दिखाया कि जल उपचार तब सबसे प्रभावी था जब इसे हल्का रखा गया; चट्टान को लंबे समय तक या उच्च पानी के तापमान पर भिगोने से वास्तव में इसके प्रदर्शन में कमी आई, संभवतः इसलिए क्योंकि इससे सामग्री प्रयोग शुरू होने से पहले ही हवा में मौजूद कार्बन डाइऑक्साइड के साथ प्रतिक्रिया करने लगी, जिससे सक्रिय साइटें अवरुद्ध हो गईं।

यह कार्य एक निरंतर इंजीनियरिंग समस्या के व्यावहारिक समाधान को उजागर करता है। एक सामान्य खनिज को तैयार करने के चरण में केवल पानी में भिगोने का चरण जोड़कर, शोधकर्ताओं ने कार्बन कैप्चर तकनीक की परिचालन सीमा को उस तापमान क्षेत्र तक बढ़ा दिया जहाँ अधिकांश औद्योगिक अपशिष्ट ऊष्मा मौजूद होती है। निष्कर्ष बताते हैं कि स्टील मिलों, सीमेंट संयंत्रों और बिजली स्टेशनों के लिए एकीकृत कार्बन कैप्चर को व्यवहार्य बनाने की कुंजी नए, महंगे पदार्थों को आविष्कार करने में नहीं है, बल्कि हमारे पास जो पहले से मौजूद हैं, उन्हें तैयार करने के तरीके पर पुनर्विचार करने में है। जबकि वर्तमान विधि के लिए प्रत्येक चक्र के बीच सामग्री को बाहर निकालकर फिर से गीला करने की आवश्यकता होती है, अध्ययन सीधे सिस्टम के अंदर ही सामग्री को पुनर्जीवित करने के लिए भाप (steam) के उपयोग की ओर संकेत करता है, जिससे यह प्रक्रिया निरंतर और बड़े पैमाने पर औद्योगिक उपयोग के लिए तैयार हो जाएगी। परिणाम तापमान के बेमेल होने को एक प्रबंधनीय प्रक्रिया चरण में बदलने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं, जो नेट-जीरो उत्सर्जन के लक्ष्य को वास्तविकता के एक कदम और करीब लाता है।