Hydrophobic Porous Polymer Films for the Degradation of Poorly Water-Soluble Dyes by Immobilization of Visible-Light- Responsive Photocatalysts

पानी एक सार्वभौमिक विलायक है, एक ऐसा तरल जो चीनी, नमक और अनगिनत अन्य पदार्थों को आसानी से घोल देता है। फिर भी, रासायनिक प्रदूषकों का एक जिद्दी वर्ग है जो इसके साथ घुलने से इनकार करता है। ये कम जल-घुलनशील कार्बनिक यौगिक, जो अक्सर औद्योगिक कचरे में पाए जाते हैं, सलाद ड्रेसिंग में तेल की तरह व्यवहार करते हैं; वे आपस में गुच्छे बना लेते हैं और तैरते रहते हैं, पानी में समान रूप से फैलने से इनकार करते हैं। यह व्यवहार पर्यावरणीय सफाई के लिए एक बड़ी समस्या पैदा करता है। अधिकांश आधुनिक जल उपचार विधियाँ फोटोकैटलिसिस (प्रकाश-उत्प्रेरण) पर निर्भर करती हैं, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जहाँ प्रकाश किसी पदार्थ को हानिकारक रसायनों को तोड़ने के लिए सक्रिय करता है। हालाँकि, इसके काम करने के लिए, प्रदूषक अणुओं को उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) के सक्रिय स्थलों को भौतिक रूप से छूना आवश्यक है। जब प्रदूषक घुलने से इनकार करते हैं और बिखरे रहते हैं, तो वे उत्प्रेरक से शायद ही कभी टकराते हैं, जिससे उपचार धीमा और अक्षम हो जाता है।

वैज्ञानिक लंबे समय से इन जिद्दी अणुओं को सफाई एजेंटों के साथ बातचीत करने के लिए मजबूर करने का तरीका खोज रहे हैं। चुनौती एक ऐसा सिस्टम डिजाइन करने में है जो इन गुच्छेदार प्रदूषकों को इकट्ठा कर सके और उन्हें सफाई तंत्र के ठीक बगल में थाम सके, वह भी दृश्य प्रकाश (विज़िबल लाइट) की सौम्य ऊर्जा का उपयोग करते हुए। यदि शोधकर्ता एक ऐसी सतह बना सकें जो इन जल-विकर्षक रसायनों को स्वाभाविक रूप से आकर्षित करे और उन्हें एक विशिष्ट क्षेत्र में केंद्रित करे, तो सफाई की प्रक्रिया बहुत अधिक प्रभावी हो जाएगी। यह वह मुख्य प्रश्न है जिसे इनजे यूनिवर्सिटी (Inje University) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने संबोधित किया है, जिन्होंने इन कठिन-से-हटाने योग्य रंगों (डाईज) को फँसाने और नष्ट करने के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन किया गया एक नया प्रकार का पदार्थ विकसित किया है।

शोधकर्ताओं ने पॉली(ε-कैप्रोलैक्टोन) नामक एक सामान्य प्लास्टिक से बनी एक पतली, लचीली फिल्म बनाई, जिसे उन्होंने अत्यधिक जल-विकर्षक बनाने के लिए संशोधित किया। उन्होंने केवल इस प्लास्टिक पर सफाई एजेंट की परत नहीं चढ़ाई; बल्कि, उन्होंने इस प्लास्टिक को स्वयं एक विशिष्ट, हनीकॉम्ब (मधुमक्खी के छत्ते जैसी) संरचना वाले सूक्ष्म छिद्रों से युक्त करने के लिए इंजीनियर किया। इसे बनाने के लिए, उन्होंने नम हवा और विलायक वाष्पीकरण (सॉल्वेंट इवेपोरेशन) वाली एक तकनीक का उपयोग किया, जिसके कारण प्लास्टिक के सख्त होने से पहले पानी की बूंदें एक नियमित पैटर्न में व्यवस्थित होकर संघनित हो जाती हैं। इन सूक्ष्म छिद्रों की दीवारों के भीतर, उन्होंने जिंक सेलेनाइड और जिंक टेलुराइड से बने एक हाइब्रिड पदार्थ को स्थापित किया। यह हाइब्रिड एक फोटोकैटलिस्ट के रूप में कार्य करता है, जिसका अर्थ है कि यह दृश्य प्रकाश का उपयोग करके कार्बनिक पदार्थों को तोड़ने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं को सक्रिय कर सकता है। परिणाम एक पुन: प्रयोज्य शीट है जो दिखने में स्पंज जैसी है लेकिन एक लक्षित जाल के रूप में कार्य करती है।

मुख्य नवाचार यह है कि यह फिल्म पर्यावरण के साथ कैसे संपर्क करती है। क्योंकि प्लास्टिक हाइड्रोफोबिक, या जल-भयभीत (पानी से दूर भागने वाला) है, इसलिए यह आसपास के पानी को स्वाभाविक रूप से प्रतिकर्षित करता है। हालाँकि, इसकी उन कम जल-घुलनशील डाई अणुओं के प्रति गहरी आत्मीयता है, जो स्वयं जल-भयभीत होते हैं। जब इस फिल्म को पानी में रखे जाने वाले प्रदूषकों के साथ रखा जाता है, तो डाई के अणु हनीकॉम्ब संरचना के छोटे छिद्रों में खिंचे चले आते हैं, जिससे वे प्रभावी रूप से वहीं केंद्रित हो जाते हैं जहाँ फोटोकैटलिस्ट मौजूद है। यह एक सीमित सूक्ष्म-वातावरण बनाता है जहाँ प्रदूषक सफाई सामग्री के बिल्कुल करीब सघन रूप से पैक हो जाते हैं। शोधकर्ताओं ने इसका परीक्षण एलिज़ारिन (alizarin) नामक एक लाल रंग (डाई) का उपयोग करके किया, जो पानी में कम घुलनशीलता के लिए जाना जाता है। उन्होंने फिल्म को डाई के घोल में रखा और अंधेरे में तब तक प्रतीक्षा की जब तक कि फिल्म से चिपकने वाली डाई की मात्रा बदलना बंद नहीं हो गई, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि बाद में होने वाला कोई भी विघटन केवल प्रकाश-सक्रिय प्रक्रिया के कारण है न कि केवल सतह पर डाई के चिपकने के कारण।

एक बार जब फिल्म तैयार हो गई, तो उन्होंने इसे दृश्य प्रकाश के संपर्क में रखा। परिणाम आश्चर्यजनक थे। छिद्रयुक्त फिल्म ने समतल, गैर-छिद्रयुक्त संस्करण की तुलना में केंद्रित डाई अणुओं को बहुत तेज़ी से तोड़ा। यह सिद्ध करने के लिए कि गति संरचना के कारण थी न कि केवल रासायनिक संरचना के कारण, टीम ने अपने हनीकॉम्ब फिल्म की तुलना उसी सामग्री से बनी एक सपाट फिल्म से की। सपाट फिल्म, जिसमें डाई को केंद्रित करने के लिए छिद्र नहीं थे, काफी खराब प्रदर्शन करती रही। इससे पुष्टि हुई कि फिल्म की वास्तुकला ही महत्वपूर्ण कारक थी। छिद्रयुक्त डिज़ाइन ने न केवल उत्प्रेरक को थामे रखा; बल्कि इसने प्रदूषकों को सक्रिय रूप से एकत्र भी किया, जिससे प्रकाश द्वारा उत्पन्न प्रतिक्रियाशील कणों के साथ उनके टकराने की संभावना बढ़ गई।

यह समझने के लिए कि सटीक रूप से विघटन कैसे हुआ, टीम ने रासायनिक स्कैवेंजर्स (scavengers) का उपयोग करके यह पहचाना कि कौन से प्रतिक्रियाशील कण भारी काम कर रहे थे। उन्होंने पाया कि सुपरऑक्साइड रेडिकल्स, जो एक प्रकार के अत्यधिक प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन अणु हैं, डाई को नष्ट करने वाले प्राथमिक एजेंट थे, न कि हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स। यह फिल्म के डिज़ाइन के संदर्भ में तर्कसंगत है। जल-विकर्षक छिद्रों के भीतर, सुपरऑक्साइड रेडिकल्स, जो ऐसे वातावरण में अधिक समय तक रहने की प्रवृत्ति रखते हैं, गायब होने से पहले केंद्रित डाई अणुओं के साथ बातचीत करने का बहुत बेहतर अवसर पाते हैं। इसके विपरीत, कम समय तक जीवित रहने वाले हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स संभवतः इस विशिष्ट सेटअप में अपने लक्ष्य को खोजने से पहले ही लुप्त हो जाएंगे। यह खोज दर्शाती है कि सामग्री की भौतिक संरचना रासायनिक मार्ग को कैसे निर्धारित करती है।

इस नए प्लेटफॉर्म के स्थायित्व को भी परखा गया। शोधकर्ताओं ने लगातार पांच बार एक ही फिल्म का उपयोग किया, और प्रत्येक रन के बीच अवशेष डाई को हटाने के लिए पानी और एक विलायक के मिश्रण से इसे साफ किया। पांच पूर्ण चक्रों के बाद, फिल्म ने डाई को नष्ट करने की अपनी मूल क्षमता का 90 प्रतिशत से अधिक हिस्सा बनाए रखा। सूक्ष्म परीक्षण से पता चला कि हनीकॉम्ब संरचना काफी हद तक बरकरार रही, और फोटोकैटलिस्ट के कण छिद्रों की दीवारों से मजबूती से जुड़े रहे और बहकर बाहर नहीं निकले। यह सुझाव देता है कि सामग्री इतनी मजबूत है कि बिना प्रभावशीलता खोए या ढीले उत्प्रेरक कणों के साथ पानी को दूषित किए बिना बार-बार उपयोग की जा सकती है।

यह कार्य एक विशिष्ट पर्यावरणीय बाधा के लिए एक व्यावहारिक समाधान प्रदर्शित करता है। एक जल-विकर्षक छिद्रयुक्त संरचना को दृश्य-प्रकाश-सक्रिय उत्प्रेरक के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा सिस्टम बनाया है जो कम घुलनशील प्रदूषकों के प्राकृतिक प्रतिरोध पर विजय प्राप्त करता है। फिल्म इस बात पर निर्भर नहीं करती कि प्रदूषक अपने आप घुल जाएं; इसके बजाय, यह उन्हें इकट्ठा करने, केंद्रित करने और कुशलतापूर्वक नष्ट करने के लिए अपने स्वयं के भौतिक गुणों का उपयोग करती है। निष्कर्ष बताते हैं कि ऐसे स्थिर, छिद्रयुक्त प्लेटफॉर्म जटिल रासायनिक खतरों की सफाई के लिए औद्योगिक अपशिष्ट जल के उपचार में विश्वसनीय, पुन: प्रयोज्य उपकरण के रूप में कार्य कर सकते हैं, जो जटिल रासायनिक खतरों को साफ करने के लिए एक स्केलेबल रणनीति प्रदान करते हैं।