Reuse of spent molecular sieves as adsorbents: a waste valorization strategy for low-temperature thermal energy storage
यह अध्ययन यह प्रदर्शित करता है कि प्राकृतिक गैस शुद्धिकरण से प्राप्त प्रयुक्त आणविक छलनी (मॉलिक्यूलर सीव्स) को व्यापक भौतिक-रासायनिक और तापीय लक्षण वर्णन के माध्यम से उनकी बरकरार छिद्रपूर्ण संरचना और प्रतिवर्ती जल विशोषण गुणों की पुष्टि करके, टिकाऊ, निम्न-तापमान तापीय ऊर्जा भंडारण अधिशोषक के रूप में प्रभावी ढंग से मूल्यवर्धित किया जा सकता है।
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ऊर्जा प्रणालियाँ बदल रही हैं। जैसे-जैसे दुनिया जीवाश्म ईंधन से दूर जाने की कोशिश कर रही है, चुनौती केवल स्वच्छ बिजली उत्पन्न करने की नहीं है, बल्कि इसे तब कुशलतापूर्वक संग्रहीत करने की भी है जब सूरज चमक नहीं रहा हो या हवा चल नहीं रही हो। ऊष्मा को संग्रहीत करने का एक आशाजनक तरीका 'अधिशोषण' (adsorption) नामक प्रक्रिया है। एक स्पंज की कल्पना करें जो हवा से जल वाष्प को सोख सकता है; जब उस स्पंज को गर्म किया जाता है, तो वह पानी को छोड़ देता है, और ऐसा करते समय, वह एक महत्वपूर्ण मात्रा में तापीय ऊर्जा अवशोषित करता है। यदि इस चक्र को दोहराया जा सके, तो यह सामग्री ऊष्मा के लिए एक बैटरी के रूप में कार्य करती है, ऊर्जा को तब तक थामे रखती है जब तक कि उसकी आवश्यकता न हो। इसे अच्छी तरह से काम करने के लिए मुख्य बात ऐसे पदार्थ खोजना है जो सस्ते, स्थिर और पानी को पकड़ने तथा छोड़ने में उत्कृष्ट हों। दशकों से, वैज्ञानिक इस काम के लिए 'आणविक छलनी' (molecular sieves) के रूप में जाने जाने वाले कृत्रिम क्रिस्टल की तलाश कर रहे हैं, लेकिन ये सामग्रियाँ बनाने में महंगी होती हैं और औद्योगिक गैस सफाई में अपने मूल उद्देश्य को पूरा करने के बाद अक्सर खतरनाक कचरे के रूप में फेंक दी जाती हैं।
अर्जेंटीना की एक टीम ने इस समस्या को एक अवसर में बदल दिया है। उन्होंने जांच की कि क्या "उपयोग की जा चुकी" आणविक छलनियाँ—वे जो पहले से ही प्राकृतिक गैस शुद्धिकरण संयंत्रों में उपयोग की जा चुकी हैं और वर्तमान में फेंकी जा रही हैं—को ऊष्मा भंडारण सामग्री के रूप में दूसरा जीवन दिया जा सकता है। इन छोड़े गए क्रिस्टलों को कचरा मानने के बजाय, शोधकर्ताओं ने पूछा कि क्या उनकी आंतरिक संरचना और पानी को थामने की क्षमता वर्षों की औद्योगिक सेवा के बाद भी बरकरार है। इन उपयोग किए गए पदार्थों का नए, प्राकृतिक क्रिस्टल और एक अलग प्रकार के कृत्रिम यौगिक के विरुद्ध परीक्षण करके, उन्होंने पाया कि अपशिष्ट सामग्री ने थर्मल बैटरी के रूप में कार्य करने के लिए आवश्यक आवश्यक गुणों को बनाए रखा है। यह निष्कर्ष बताता है कि यह एक खतरनाक औद्योगिक उपोत्पाद को एक मूल्यवान संसाधन में बदलने का एक तरीका है, जो एक चक्रीय अर्थव्यवस्था (circular economy) का समर्थन करता है जहाँ अपशिष्ट को टिकाऊ ऊर्जा के उपकरण में बदल दिया जाता है।
अध्ययन की शुरुआत एक विशिष्ट प्रकार के कचरे के साथ हुई: तेल और गैस उद्योग से प्राप्त उपयोग की जा चुकी आणविक छलनियाँ। ये सुविधाएँ प्राकृतिक गैस को सुखाने और शुद्ध करने, पानी और अन्य अशुद्धियों को हटाने के लिए इन छलनियों का उपयोग करती हैं। समय के साथ, ये छलनियाँ संतृप्त हो जाती हैं और उन्हें बदल दिया जाता है, जिससे एक अकेले संयंत्र में सालाना लगभग 50 टन यह सामग्री उत्पन्न होती है। वर्तमान में, इस कचरे को खतरनाक वर्गीकृत किया गया है क्योंकि इसमें फंसे हुए हाइड्रोकार्बन होते हैं, जिससे निपटान लागत और पर्यावरणीय चिंताएं पैदा होती हैं। शोधकर्ताओं ने इस उपयोग की गई सामग्री का एक नमूना लिया, जो सिलिकॉन, एल्युमीनियम और ऑक्सीजन से बना एक कृत्रिम क्रिस्टल है, और इसे परीक्षणों की एक श्रृंखला के अधीन किया। एक निष्पक्ष तुलना सुनिश्चित करने के लिए, उन्होंने एक प्राकृतिक खनिज क्रिस्टल और एक प्रयोगशाला में निर्मित मिश्रित (composite) सामग्री का भी परीक्षण किया, यह देखते हुए कि प्रत्येक गर्मी के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करता है और वे पानी के साथ कैसे क्रिया करते हैं।
पहला चरण सामग्रियों की भौतिक संरचना को देखना था। शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने प्रयुक्त छलनियों की सतह और आंतरिक छिद्रों की जांच की। उन्होंने पाया कि औद्योगिक संयंत्र में लंबी सेवा के बावजूद, क्रिस्टल ढहे नहीं थे या अपनी सरंध्रता (porous nature) नहीं खोई थी। सूक्ष्म चैनल और छेद जो पानी के अणुओं को अंदर आने और बाहर जाने देते हैं, अभी भी स्पष्ट रूप से दिखाई दे रहे थे और आपस में जुड़े हुए थे। यह एक महत्वपूर्ण खोज थी क्योंकि इस प्रणाली में ऊष्मा संग्रहीत करने की क्षमता पूरी तरह से सामग्री की पानी को अंदर और बाहर जाने देने की क्षमता पर निर्भर करती है। उपयोग किए गए क्रिस्टल नए क्रिस्टल के समान ही दिखे, जिससे पता चलता कि गैस शुद्धिकरण की कठोर परिस्थितियों ने उन विशेषताओं को नष्ट नहीं किया है जो उन्हें ऊर्जा भंडारण के लिए उपयोगी बनाती हैं।
इसके बाद, टीम ने सामग्रियों की रासायनिक संरचना का विश्लेषण किया ताकि यह समझा जा सके कि वे पानी के साथ कैसे क्रिया करेंगे। उन्होंने क्रिस्टल में सिलिकॉन और एल्युमीनियम के अनुपात को मापा, जो एक कारक है जो यह निर्धारित करता है कि कोई सामग्री पानी के अणुओं को कितनी मजबूती से आकर्षित करती है। उपयोग की जा चुकी आणविक छलनियों में एल्युमीनियम की उच्च मात्रा देखी गई, जो एक मजबूत विद्युत खिंचाव पैदा करती है, जिससे सामग्री नमी सोखने में बहुत अच्छी हो जाती है। इसके विपरीत, जिस प्राकृतिक खनिज का उन्होंने परीक्षण किया, उसमें एल्युमीनियम कम था और वह संभवतः पानी को कम मजबूती से थामे रखेगा। तीसरा पदार्थ, जो कैल्शियम फॉस्फेट से बना एक मिश्रित पदार्थ था, फिर से अलग व्यवहार करता था, जो पानी को थामने के लिए आंतरिक क्रिस्टल संरचना के बजाय सतह की रसायन विज्ञान पर निर्भर था। रासायनिक विश्लेषण ने पुष्टि की कि प्रयुक्त छलनियों में पानी के लिए सही प्रकार का "चिपकाव" (stickiness) था, जो ऊष्मा ऊर्जा को पकड़ने और छोड़ने के लिए एक महत्वपूर्ण गुण है।
शोधकर्ता फिर तापीय परीक्षण (thermal testing) की ओर बढ़े, जिसमें उन्होंने तापमान परिवर्तन के तहत सामग्रियों के व्यवहार को देखने के लिए उन्हें गर्म किया। उन्होंने 'थर्मोग्रैविमेट्रिक विश्लेषण' नामक तकनीक का उपयोग किया, जो यह मापता है कि नमूना गर्म होने पर कितना द्रव्यमान खो देता है। जैसे-जैसे तापमान बढ़ा, तीनों सामग्रियों ने वजन खोया, लेकिन उन्होंने अलग-अलग तरीकों से ऐसा किया। प्राकृतिक खनिज बहुत स्थिर था, जिसने बहुत कम द्रव्यमान खोया, जिसका अर्थ था कि उसने अपने पानी को मजबूती से थामे रखा लेकिन शायद तीव्र ऊर्जा भंडारण के लिए इसे आसानी से छोड़ नहीं पाएगा। मिश्रित पदार्थ ने उच्च तापमान पर काफी वजन खो दिया, लेकिन यह इसके कार्बनिक घटकों के टूटने के कारण था, जो एक संकेत है कि यह बार-बार उपयोग के लिए पर्याप्त स्थिर नहीं हो सकता है। हालाँकि, प्रयुक्त आणविक छलनियों ने संतुलित व्यवहार दिखाया। वे गर्म होने पर लगातार पानी छोड़ते रहे, बिना टूटे नियंत्रित तरीके से द्रव्यमान खोते रहे। इससे संकेत मिला कि उन्हें संग्रहीत ऊर्जा को छोड़ने के लिए गर्म किया जा सकता है और फिर इसे अवशोषित करने के लिए ठंडा किया जा सकता है, जो एक पुन: प्रयोज्य ऊष्मा बैटरी के लिए आवश्यक चक्र है।
इस प्रक्रिया में शामिल ऊर्जा को समझने के लिए, टीम ने 'डिफरेंशियल स्कैनिंग कैलोरीमेट्री' का उपयोग किया, जो किसी सामग्री में ऊष्मा के प्रवाह को मापता है। जब उन्होंने प्रयुक्त आणविक छलनियों को गर्म किया, तो उन्होंने ऊष्मा ऊर्जा के व्यापक अवशोषण को देखा। यह ऊष्मा केवल ठोस सामग्री को गर्म नहीं कर रही थी; बल्कि इसका उपयोग क्रिस्टल की सतह से और उसके सूक्ष्म छिद्रों से पानी के अणुओं को खींचने के लिए किया जा रहा था। तथ्य यह था कि यह ऊष्मा अवशोषण तापमान की एक विस्तृत श्रेणी में हुआ, जिससे पता चला कि पानी को क्रिस्टल के भीतर कई अलग-अलग तरीकों से थामकर रखा गया था, कुछ कमजोर और कुछ अधिक मजबूती से। यह वास्तव में ऊर्जा भंडारण के लिए एक अच्छी बात है, क्योंकि यह सामग्री को एक साथ सारा ऊष्मा अवशोषित करने के बजाय धीरे-धीरे ऊष्मा अवशोषित करने की अनुमति देता है। मापों ने दिखाया कि प्रयुक्त छलनियाँ महत्वपूर्ण मात्रा में तापीय ऊर्जा अवशोषित कर सकती हैं, जो ताज़ा प्राकृतिक खनिज के बराबर या उससे भी बेहतर है, जिससे सिद्ध होता है कि गैस संयंत्र में अपने पहले जीवन के दौरान उनकी ऊष्मा संग्रहीत करने की क्षमता नष्ट नहीं हुई थी।
अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि ये फेंके गए औद्योगिक क्रिस्टल केवल अपशिष्ट नहीं हैं, बल्कि कम तापमान वाले तापीय ऊर्जा भंडारण के लिए एक व्यवहार्य संसाधन हैं। प्रयुक्त आणविक छलनियों ने कठोर औद्योगिक परिस्थितियों में उपयोग के बाद भी अपनी संरचनात्मक अखंडता, पानी को आकर्षित करने की रासायनिक क्षमता और अपनी तापीय स्थिरता बनाए रखी। उन्हें पानी और ऊर्जा छोड़ने के लिए गर्म किया जा सकता था, और फिर ऊर्जा को अवशोषित करने के लिए ठंडा किया जा सकता था, और इस प्रक्रिया में वे टूटते नहीं हैं। यह खोज चक्रीय अर्थव्यवस्था के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करती है। इस 50 टन खतरनाक कचरे को हर साल लैंडफिल में भेजने के बजाय, एक गैस प्रसंस्करण सुविधा उसी सामग्री का उपयोग नवीकरणीय ऊर्जा को संग्रहीत करने में मदद करने के लिए कर सकती है। हालांकि शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि इन सामग्रियों के कई वर्षों तक बार-बार गर्म और ठंडा होने के प्रदर्शन का परीक्षण करने के लिए और अधिक काम की आवश्यकता है, प्रारंभिक परिणाम स्पष्ट हैं: एक उद्योग का कचरा दूसरे के ऊर्जा भंडारण समाधान का आधार बन सकता है, जो निपटान की समस्या को एक टिकाऊ संपत्ति में बदल देता है।
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