Pyrolysis temperature-driven radical-to-nonradical pathway transition in Fe0/biochar activated peroxymonosulfate: Structural evolution and mechanistic insights

औद्योगिक स्रोतों से होने वाला जल प्रदूषण, विशेष रूप से वस्त्र उद्योगों में उपयोग किए जाने वाले जिद्दी रंगों (dyes) के कारण, पर्यावरणीय स्वास्थ्य के लिए एक निरंतर चुनौती बना हुआ है। ये कृत्रिम रंग स्थिरता और फीका न पड़ने के गुणों के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, जिसके कारण वे प्रकृति में टूटने के प्रति भी उतने ही प्रतिरोधी हो जाते हैं। जब वे नदियों और झीलों में प्रवेश करते हैं, तो वे सूर्य के प्रकाश को रोकते हैं, ऑक्सीजन की कमी करते हैं, और जलीय जीवन तथा मनुष्यों के लिए विषाक्त हो सकते हैं। इस पानी को साफ करने के पारंपरिक तरीकों में अक्सर डाई को फिल्टर पर रोकना या बैक्टीरिया का उपयोग करना शामिल होता है, लेकिन ये दृष्टिकोण अक्सर प्रदूषक को पूरी तरह से नष्ट करने में विफल रहते हैं या इनके लिए जटिल, महंगे अनुवर्ती उपचारों की आवश्यकता होती है। एक अधिक आक्रामक समाधान 'उन्नत ऑक्सीकरण' (advanced oxidation) है, जो एक ऐसी प्रक्रिया है जिसमें शक्तिशाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग करके डाई के अणुओं को हानिरहित घटकों में तोड़ दिया जाता है। एक आशाजनक विधि में पेरोक्सीमोनोसल्फेट नामक एक विशिष्ट रसायन का उपयोग किया जाता है, जो एक लोड किए गए बंदूक की तरह है जो चलने का इंतज़ार कर रहा है। हालाँकि, यह रसायन अपने आप में स्थिर है और इसे सक्रिय करने के लिए एक उत्प्रेरक (catalyst), या एक ट्रिगर की आवश्यकता होती है। इस प्रणाली को कुशल बनाने की कुंजी एक ऐसा सही ट्रिगर खोजने में निहित है जो हानिकारक दुष्प्रभावों को उत्पन्न किए बिना या पानी में मौजूद अन्य पदार्थों द्वारा बाधित हुए बिना इस रसायन की सफाई शक्ति को सक्रिय कर सके।

जेजियांग ए एंड एफ यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने एक बेहतर ट्रिगर बनाने के तरीके की जांच की है, जिसके लिए उन्होंने एक सरल, प्रचुर सामग्री का उपयोग किया है: मूंगफली के छिलके। इन छिलकों को एक नियंत्रित वातावरण में गर्म करके, उन्होंने एक छिद्रपूर्ण, कार्बन-समृद्ध पदार्थ बनाया जिसे 'बायोचार' (biochar) कहा जाता है। इसके बाद उन्होंने इस बायोचार को लोहे (iron) से भर दिया, जो रासायनिक प्रतिक्रियाओं को शुरू करने की अपनी क्षमता के लिए जाना जाता है। उनके काम का केंद्रीय प्रश्न केवल यह नहीं था कि क्या यह संयोजन काम करेगा, बल्कि यह था कि मूंगफली के छिलकों को पकाने के लिए उपयोग किए गए तापमान ने उत्प्रेरक के व्यवहार को कैसे बदला। उन्होंने पाया कि निर्माण के दौरान लगाए गए ताप ने सामग्री की आंतरिक संरचना को मौलिक रूप से बदल दिया, जिससे इसकी सफाई प्रक्रिया एक ऐसी प्रक्रिया से बदलकर जो अराजक, अल्पकालिक कणों पर निर्भर थी, एक अधिक स्थिर, लक्षित ऊर्जा के उपयोग पर आधारित हो गई। यह खोज पानी के उपचार प्रणालियों को अधिक सटीक बनाने और वास्तविक दुनिया के अपशिष्ट जल की जटिल रसायन विज्ञान द्वारा बाधित होने की संभावना को कम करने का एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करती है।

टीम ने ताजे मूंगफली के छिलकों को लेकर, उन्हें साफ करके, और उन्हें आयरन साल्ट्स (लोहे के लवणों) के घोल के साथ मिलाकर शुरुआत की। फिर उन्होंने इन मिश्रणों को एक भट्टी में गर्म किया, लेकिन वे केवल एक तापमान तक ही सीमित नहीं रहे। इसके बजाय, उन्होंने 400 डिग्री सेल्सियस से लेकर 800 डिग्री सेल्सियस तक के विभिन्न ताप स्तरों पर नमूने तैयार किए। 400 डिग्री के निचले तापमान पर, मूंगफली के छिलके एक खुरदरे, रेशेदार कार्बन पदार्थ में बदल गए जहाँ लोहा मुख्य रूप से आयरन ऑक्साइड (जंग का एक रूप) के रूप में मौजूद था। जब तापमान बढ़ाकर 800 डिग्री किया गया, तो एक नाटकीय परिवर्तन हुआ। तीव्र गर्मी, छिलकों के कार्बन के साथ मिलकर, एक अपचायक (reducing agent) के रूप में कार्य करती है, जो आयरन ऑक्साइड से ऑक्सीजन को हटा देती है और इसे 'जीरो-वैलेंट आयरन' (pure metallic iron) में परिवर्तित कर देती है। साथ ही, मूंगफली के छिलके की अव्यवस्थित कार्बन संरचना खुद को एक अत्यधिक व्यवस्थित, ग्रेफाइट जैसी संरचना में पुनर्गठित करती है। इस दोहरे परिवर्तन ने एक अनूठी सामग्री बनाई जहाँ शुद्ध लोहे के कण एक संवाहक (conductive), ग्रेफाइटिक कार्बन कवच के भीतर समाहित थे।

इन विभिन्न सामग्रियों के सामर्थ्य का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इसमें 'कांगो रेड' (एक सामान्य टेक्सटाइल डाई) के साथ पेरोक्सीमोनोसल्फेट ऑक्सीडाइज़र का घोल मिलाया। परिणाम आश्चर्यजनक थे। 400 डिग्री सेल्सियस पर बनाया गया उत्प्रेरक काम तो करता था, लेकिन यह एक मिश्रित तंत्र के माध्यम से संचालित होता था। इसने मुक्त कणों (free radicals - जो अत्यधिक प्रतिक्रियाशील और अल्पकालिक रासायनिक प्रजातियां हैं) और ऑक्सीजन के एक अधिक स्थिर रूप, जिसे 'सिंगलेट ऑक्सीजन' कहा जाता है, का एक संयोजन उत्पन्न किया। प्रभावी होने के बावजूद, यह मिश्रित दृष्टिकोण अक्सर पानी में मौजूद अन्य रसायनों के प्रति संवेदनशील होता है। इसके विपरीत, 800 डिग्री सेल्सियस पर बनाया गया उत्प्रेरक एक अलग रणनीति के साथ काम करता था। इसने लगभग पूरी तरह से अराजक रेडिकल पथ को त्याग दिया और सिंगलेट ऑक्सीजन द्वारा संचालित एक गैर-रेडिकल पथ की ओर स्विच कर लिया। अपने प्रयोगों में, इस उच्च-तापमान वाले उत्प्रेरक ने 60 मिनट के भीतर 90 प्रतिशत डाई को हटा दिया। इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि इस गिरावट के लिए 87.5 प्रतिशत सिंगलेट ऑक्सीजन जिम्मेदार थी। यह बदलाव महत्वपूर्ण है क्योंकि सिंगलेट ऑक्सीजन के अन्य सामान्य पदार्थों, जैसे कि लवण या कार्बनिक पदार्थों द्वारा निष्प्रभावी या नष्ट किए जाने की संभावना कम होती है, जो इसे वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए अधिक मजबूत बनाता है।

शोधकर्ताओं ने केवल परिणामों को देखने तक ही सीमित नहीं रहे; उन्होंने यह समझने का भी प्रयास किया कि उच्च-तापमान वाले उत्प्रेरक ने इस कार्य को ठीक कैसे किया। उन्होंने प्रतिक्रिया की जांच करने के लिए विभिन्न तकनीकों का उपयोग किया, जिसमें विशिष्ट रसायनों को शामिल करना भी शामिल था जो कुछ प्रकार की प्रतिक्रियाशील प्रजातियों को 'क्वेंच' (शांत) या रोक देते हैं। जब उन्होंने रेडिकल्स को रोकने वाले पदार्थ डाला, तो प्रतिक्रिया मुश्किल से धीमी हुई। हालाँकि, जब उन्होंने सिंगलेट ऑक्सीजन को रोकने वाले पदार्थ को डाला, तो प्रतिक्रिया लगभग रुक गई, जिससे पुष्टि हुई कि सिंगलेट ऑक्सीजन ही प्राथमिक कारक था। उन्होंने इसे 'हैवी वॉटर' (भारी जल - एक ऐसा पानी जहाँ हाइड्रोजन परमाणुओं को भारी आइसोटोप से बदल दिया जाता है) में भी परखा। सिंगलेट ऑक्सीजन नियमित पानी की तुलना में हैवी वॉटर में बहुत लंबे समय तक जीवित रहता है। हैवी वॉटर में प्रतिक्रिया काफी तेज हो गई, जिसने सिंगलेट ऑक्सीजन के मुख्य चालक होने के प्रमाण को और पुख्ता किया। यह पता लगाने के लिए कि इस गतिविधि का स्रोत क्या है, उन्होंने एक रासायनिक जहर (chemical poison) पेश किया जो लोहे के कणों की सतह से जुड़ जाता है। इस जहर ने प्रतिक्रिया की दर को नाटकीय रूप से कम कर दिया, जिससे सिद्ध हुआ कि कार्बन शेल के भीतर समाहित शुद्ध लोहे के कण ही आवश्यक सक्रिय केंद्र थे। लोहा एक इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में कार्य करता है, जो संवाहक कार्बन शेल के माध्यम से ऑक्सीडाइज़र को ऊर्जा स्थानांतरित करता है, जो फिर सिंगलेट ऑक्सीजन को मुक्त करता है।

अध्ययन में यह भी जांचा गया कि सर्वोत्तम प्रदर्शन के लिए कितने लोहे की आवश्यकता थी। उन्होंने पाया कि लोहे की मात्रा बढ़ाने से उत्प्रेरक की डाई हटाने की क्षमता में सुधार होता है, लेकिन केवल एक सीमा तक। सबसे अच्छा संतुलन तब प्राप्त हुआ जब लोहे और कार्बन का अनुपात एक भाग लोहा और दो भाग कार्बन था। यदि उन्होंने बहुत अधिक लोहा डाला, तो प्रदर्शन वास्तव में गिर गया। शोधकर्ताओं ने समझाया कि लोहे की अधिकता के कारण धातु के कण सतह पर आपस में गुच्छे बनाने लगे, जिससे कार्बन के उन सक्रिय स्थानों में बाधा आई जहाँ प्रतिक्रिया होनी चाहिए थी। यह निष्कर्ष सामग्री डिजाइन में सटीकता के महत्व को उजागर करता; अधिक होना हमेशा बेहतर नहीं होता। इसके अलावा, उच्च-तापमान वाला उत्प्रेरक टिकाऊ भी साबित हुआ। तीन बार उपयोग किए जाने के बाद भी, इसने अपने अधिकांश चुंबकीय गुणों को बनाए रखा, जिससे इसे चुंबक के माध्यम से पानी से आसानी से निकाला जा सकता था, और इसने डाई का एक महत्वपूर्ण हिस्सा हटाया, हालांकि दक्षता में थोड़ी कमी आई। सामग्री स्थिर रही, और लोहे के कण कार्बन संरचना में घुलने के बजाय मुख्य रूप से वहीं समाहित रहे।

यह कार्य जल उपचार के लिए उत्प्रेरक बनाने के लिए एक स्पष्ट ब्लूप्रिंट प्रदान करता है। यह प्रदर्शित करता है कि सामग्री बनाने के लिए उपयोग किया जाने वाला तापमान केवल एक प्रसंस्करण विवरण नहीं है, बल्कि एक महत्वपूर्ण नियंत्रण उपकरण है जो उस रासायनिक पथ को निर्धारित करता है जिसे प्रतिक्रिया अपनाएगी। सामग्री को 800 डिग्री सेल्सियस तक गर्म करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी संरचनात्मक प्रगति को प्रेरित किया जो एक अव्यवस्थित, रेडिकल-आधारित प्रक्रिया के बजाय एक स्वच्छ, गैर-रेडिकल तंत्र के पक्ष में थी। यह दृष्टिकोण ऐसे बायोचार-आधारित उत्प्रेरक डिजाइन करने का एक तरीका प्रदान करता है जो औद्योगिक अपशिष्ट जल की जटिल रसायन विज्ञान के विरुद्ध चयनात्मक, कुशल और लचीले हों। अध्ययन पुष्टि करता है कि सामग्री की संरचना और उसके कार्य के बीच के संबंध को समझकर, वैज्ञानिक 'ट्रायल एंड एरर' (परीक्षण और त्रुटि) से आगे बढ़कर कुछ सबसे कठिन पर्यावरणीय प्रदूषकों के लिए लक्षित समाधान बना सकते हैं। रेडिकल-प्रधान प्रक्रिया से सिंगलेट-ऑक्सीजन-प्रधान प्रक्रिया की ओर संक्रमण, जो मूंगफली के छिलकों को एक विशिष्ट तापमान तक गर्म करने से प्रेरित है, टिकाऊ और प्रभावी जल शोधन प्रौद्योगिकियों की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।