Comparative Evaluation of Fe₂O₃, CuO, ZnO and NiO Nanoparticles for Removal of Triazine Herbicides from Water and Agricultural Commodities

हर दिन, किसान अपनी फसलों को खरपतवार से बचाने के लिए ट्राइएज़ीन हर्बिसाइड्स (शाकनाशियों) नामक रसायनों के एक विशिष्ट वर्ग पर भरोसा करते हैं। ये पदार्थ, जिनमें एट्राज़ीन और मेट्रिब्यूज़िन जैसे सामान्य नाम शामिल हैं, खेतों को साफ रखने में प्रभावी हैं, लेकिन वे जिद्दी भी हैं। वे पर्यावरण में आसानी से टूटते नहीं हैं, और वे मिट्टी से निकलकर नदियों, झीलों और भूजल तक जा सकते हैं। यह निरंतरता एक दोहरी समस्या पैदा करती है: यह पारिस्थितिक तंत्र के स्वास्थ्य के लिए खतरा पैदा करती है और हमारे द्वारा खाए जाने वाले भोजन, जैसे कि टमाटर, मक्का और आलू पर अवशेष छोड़ देती है। हालांकि फलों और सब्जियों को पानी से धोना एक मानक अभ्यास है, ये रसायन अक्सर पौधों की सतह से मजबूती से चिपके रहते हैं, जिससे उन्हें साधारण रिंसिंग (धुलाई) से हटाना मुश्किल हो जाता है। वैज्ञानिक लंबे समय से हमारी जल और खाद्य सामग्री को अधिक प्रभावी ढंग से साफ करने का तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं, और उन्होंने अपना ध्यान नैनोटेक्नोलॉजी की सूक्ष्म दुनिया की ओर लगाया है। नैनोकणों का उपयोग करके, जो इतने छोटे होते हैं कि उन्हें अरबवें मीटर में मापा जाता है, शोधकर्ता ऐसी सामग्रियां बना सकते हैं जिनमें विशाल सतह क्षेत्र और अद्वितीय रासायनिक क्षमताएं होती हैं जो इन जिद्दी प्रदूषकों को पकड़ या नष्ट कर सकती हैं।

सेंट जेवियर्स कॉलेज के शोधकर्ताओं की एक टीम ने चार अलग-अलग प्रकार के इन सूक्ष्म कणों का परीक्षण करने के लिए एक प्रयोग किया ताकि यह देखा जा सके कि कौन सा कण पानी और ताजे उत्पादों से एट्राज़ीन और मेट्रिब्यूज़िन को हटाने में सबसे अच्छा है। उन्होंने चार सामान्य संक्रमण धातु ऑक्साइड (transition metal oxides) से बने कणों पर ध्यान केंद्रित किया: आयरन ऑक्साइड, कॉपर ऑक्साइड, जिंक ऑक्साइड और निकेल ऑक्साइड। इन सामग्रियों को इसलिए चुना गया क्योंकि वे विभिन्न तरीकों से कार्बनिक रसायनों के साथ अंतःक्रिया करने के लिए जाने जाते हैं, जैसे कि उनसे चिपकना या रासायनिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से उन्हें तोड़ना। शोधकर्ताओं ने केवल यह नहीं देखा कि ये कण पानी में कैसे बैठते हैं और रसायनों को अवशोषित करते हैं, बल्कि उन्होंने यह भी परीक्षण किया कि क्या मिश्रण को प्रकाश के संपर्क में लाने से रसायनों को तेजी से तोड़ने में मदद मिलती है, जिसे फोटोकैटलिसिस (प्रकाश-उत्प्रेरण) कहा जाता है। वे यह पता लगाना चाहते थे कि क्या कोई विशिष्ट सामग्री दूसरों से बेहतर है और क्या इसका बार-तबार उपयोग बिना इसकी प्रभावशीलता खोए किया जा सकता है।

अपनी जांच शुरू करने के लिए, टीम ने हर्बिसाइड्स वाले घोल तैयार किए और उन्हें प्रत्येक नैनोकण प्रकार की विभिन्न मात्राओं के साथ मिलाया। उन्होंने पानी की अम्लता (acidity) को समायोजित करके और कणों को रसायनों के साथ परस्पर क्रिया करने के लिए दिए गए समय को नियंत्रित करके स्थितियों को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया। उन्होंने पाया कि चारों प्रकार के नैनोककल किसी न किसी स्तर पर हर्बिसाइड्स को हटाने में सक्षम थे, लेकिन उनके प्रदर्शन में स्पष्ट अंतर थे। जिंक ऑक्साइड से बने कण सबसे प्रभावी सिद्ध हुए, जिन्होंने सर्वोत्तम परिस्थितियों में पानी से लगभग 94 प्रतिशत एट्राज़ीन और 91 प्रतिशत से अधिक मेट्रिब्यूज़िन को हटाया। कॉपर ऑक्साइड दूसरे स्थान पर रहा, जबकि आयरन ऑक्साइड और निकेल ऑक्साइड कम कुशल थे। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि जिंक ऑक्साइड के कण इसलिए इतने अच्छे से काम करते हैं क्योंकि वे न केवल हर्बिसाइड अणुओं से चिपक सकते हैं, बल्कि प्रकाश के संपर्क में आने पर, वे सक्रिय रूप से प्रदूषकों के रासायनिक बंधों को तोड़ने के लिए प्रतिक्रियाशील प्रजातियां (reactive species) भी उत्पन्न करते हैं।

अध्ययन ने यह भी देखा कि यह प्रक्रिया समय के साथ कैसे काम करती है। हर्बिसाइड्स को हटाने की गति का विश्लेषण करके, टीम ने निष्कर्ष निकाला कि यह केवल एक साधारण भौतिक जुड़ाव की प्रक्रिया नहीं थी। इसके बजाय, डेटा ने सुझाव दिया कि नैनोकणों और हर्बिसाइड अणुओं के बीच एक अधिक जटिल रासायनिक बंधन (chemical bonding) हुआ। इस निष्कर्ष ने यह समझाने में मदद की कि यह निष्कासन इतना कुशल क्यों था और जिंक ऑक्साइड के कण, जिनमें प्रकाश के साथ अंतःक्रिया करने की मजबूत क्षमता होती है, इतने बेहतर प्रदर्शन क्यों करते हैं। जब शोधकर्ताओं ने अंधेरे में किए गए प्रयोगों की तुलना प्रकाश के नीचे किए गए प्रयोगों से की, तो जिंक ऑक्साइड और कॉपर ऑक्साइड के लिए अंतर महत्वपूर्ण था। प्रकाश ने इन कणों की हर्बिसाइड्स को नष्ट करने की क्षमता को काफी बढ़ा दिया, जिससे पुष्टि हुई कि प्रकाश-चालित रासायनिक प्रतिक्रिया सफाई प्रक्रिया का एक प्रमुख हिस्सा थी।

पानी को साफ करने के अलावा, शोधकर्ता यह भी जानना चाहते थे कि क्या ये कण वास्तविक भोजन को साफ करने में मदद कर सकते हैं। उन्होंने ताजे टमाटर, मक्का और आलू लिए और वास्तविक दुनिया के संदूषण (contamination) का अनुकरण करने के लिए उन पर हर्बिसाइड्स का छिड़काव किया। फिर उन्होंने अपने नमूनों को नैनोकणों के निलंबन (suspension) के साथ धोया। परिणाम जल परीक्षणों के समान ही रहे: जिंक ऑक्साइड के साथ धोने से सभी तीन प्रकार के उत्पादों से कीटनाशक अवशेषों का उच्चतम प्रतिशत कम हुआ। टमाटर, मक्का और आलू के लिए, जिंक ऑक्साइड की धुलाई ने एट्राज़ीन अवशेषों को क्रमशः लगभग 93 प्रतिशत, 85 प्रतिशत और 89 प्रतिशत कम कर दिया। हालांकि कॉपर ऑक्साइड ने भी अच्छे परिणाम दिखाए, लेकिन यह जिंक ऑक्साइड जितना अच्छा प्रदर्शन नहीं कर सका। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि टमाटरों की चिकनी सतह ने मक्के और आलू की खुरदरी, अनियमित सतहों की तुलना में बेहतर सफाई की अनुमति दी, जो रसायनों को अधिक मजबूती से पकड़ कर रखते हैं।

अध्ययन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा यह निर्धारित करना था कि क्या इन नैनोकणों का एक से अधिक बार उपयोग किया जा सकता है, जो किसी भी व्यावहारिक अनुप्रयोग के लिए आवश्यक है। टीम ने पांच लगातार सफाई चक्रों के लिए जिंक ऑक्साइड कणों का परीक्षण किया। धोने, सुखाने और पुन: उपयोग करने के बाद भी, कणों ने उच्च स्तर की प्रभावशीलता बनाए रखी, पांचवें चक्र तक 88 प्रतिशत से अधिक हर्बिसाइड्स को हटाया। इसने प्रदर्शित किया कि सामग्री स्थिर थी और जल्दी खराब नहीं हुई, जिससे यह बार-बार उपयोग के लिए एक व्यवहार्य विकल्प बन गया। इसके विपरीत, अन्य सामग्रियों ने क्रिया के अलग-अलग तंत्र दिखाए; उदाहरण के लिए, आयरन ऑक्साइड कणों ने सतह अधिशोषण (surface adsorption) और सतह जटिलता (surface complexation) के संयोजन पर भरोसा किया, जबकि कॉपर ऑक्साइड कणों ने एक रेडॉक्स प्रक्रिया का उपयोग किया, जिसमें रसायनों को तोड़ने के लिए इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण शामिल है। निकेल ऑक्साइड कण मुख्य रूप से सतह की अंतःक्रियाओं के माध्यम से काम करते थे लेकिन उनमें न्यूनतम प्रकाश-चालित क्षरण था, और वे मुख्य रूप से एक अधिशोषक (adsorbent) के रूप में कार्य करते थे।

शोध का अंतिम निष्कर्ष ट्राइएज़ीन हर्बिसाइड्स को साफ करने की समग्र क्षमता के आधार पर सामग्रियों की एक स्पष्ट रैंकिंग था। जिंक ऑक्साइड शीर्ष विकल्प के रूप में उभरा, उसके बाद कॉपर ऑक्साइड, फिर आयरन ऑक्साइड और अंत में निकेल ऑक्साइड। अध्ययन ने इस बात पर प्रकाश डाला कि जिंक ऑक्साइड विशेष रूप से आशाजनक है क्योंकि यह उच्च अधिशोषण क्षमता के साथ मजबूत फोटोकैटलिटिक गतिविधि को जोड़ता है, जिसका अर्थ है कि यह प्रदूषकों को पकड़ भी सकता है और प्रकाश की उपस्थिति में उन्हें नष्ट भी कर सकता है। इसने यह भी सिद्ध किया कि यह पुन: प्रयोज्य और वास्तविक खाद्य वस्तुओं पर प्रभावी है। हालांकि यह शोध नियंत्रित प्रयोगशाला स्थितियों में किया गया था, लेकिन निष्कर्ष बताते हैं कि जिंक ऑक्साइड नैनोकण भविष्य की उन तकनीकों में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकते हैं जो जल आपूर्ति की रक्षा करने और हमारे खाद्य आपूर्ति की सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए डिज़ाइन की गई हैं, जिससे इन निरंतर कृषि रसायनों को हटाया जा सके।