Hydrogen Bonding Governs Vapor–Liquid Equilibria in Alcohol-Based Fuels: A Thermodynamic Equation-of-State Approach

ऊर्जा और विनिर्माण की दुनिया में, तरल पदार्थ शायद ही कभी केवल साधारण द्रव होते हैं। कई सामान्य पदार्थ, विशेष रूप से जो ईंधन योजकों (fuel additives) या रासायनिक निर्माण खंडों के रूप में उपयोग किए जाते हैं, अल्कोहल होते हैं। इन अणुओं का एक अनूठा व्यक्तित्व होता है: इनमें एक विशिष्ट भाग होता है जो एक चुंबक की तरह कार्य करता है, जिससे वे एक-दूसरे से अन्य प्रकार के अणुओं की तुलना में अधिक मजबूती से चिपक पाते हैं। यह चिपचिपाहट या जुड़ाव, जिसे हाइड्रोजन बॉन्डिंग कहा जाता है, अल्कोहल को गर्म करने या मिलाने पर उनके विशिष्ट व्यवहार को प्रदान करती है। जब इंजीनियर इन तरल पदार्थों को एक-दूसरे से अलग करने का प्रयास करते हैं, उदाहरण के लिए किसी ईंधन को शुद्ध करने या रसायन को पुनर्चक्रित करने के लिए, तो उन्हें यह समझना चाहिए कि ये अणु तरल और गैस के बीच बदलते समय कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। यदि इस परिवर्तन को नियंत्रित करने वाले नियमों को गलत समझा जाता है, तो पृथक्करण प्रक्रिया अक्षम हो जाती है, जिससे ऊर्जा और धन की बर्बादी होती है। दशकों से, वैज्ञानिक इन व्यवहारों की भविष्यवाणी करने के लिए गणितीय उपकरणों पर निर्भर रहे हैं, लेकिन ये उपकरण अक्सर तब संघर्ष करते हैं जब अणु जटिल होते हैं या जब वे असामान्य तरीकों से आपस में जुड़ते हैं।

शंघाई ओशन यूनिवर्सिटी और हेल्महोल्ट्ज़-ज़ेंट्रम ड्रेसडेन-रोसेंडोर्फ के शोधकर्ताओं की एक टीम ने तीन विशिष्ट औद्योगिक अल्कोहल: आइसोब्यूटेनॉल (isobutanol), 1-ब्यूटेनॉल (1-butanol), और 2-एथिल-1-हेक्सानोल (2-ethyl-1-hexanol) के लिए इन अंतःक्रियाओं को मैप करने का एक नया तरीका विकसित किया है। ये पदार्थ प्लास्टिक, सॉल्वैंट्स और नवीकरणीय ईंधन के उत्पादन में महत्वपूर्ण घटक हैं। शोधकर्ताओं ने उन मिश्रणों पर ध्यान केंद्रित किया जो इन अल्कोहलों के संयोजन से बनते हैं, एक ऐसी स्थिति जो औद्योगिक संयंत्रों में अक्सर होती है लेकिन सटीक रूप से भविष्यवाणी करना कठिन रहा है। एक एकीकृत गणितीय ढांचे का निर्माण करके जो यह गणना करता है कि ये अणु एक-दूसरे को कैसे पकड़ते हैं, टीम इन व्यवहारों का उल्लेखनीय सटीकता के साथ वर्णन करने में सक्षम रही। उनका कार्य उन इंजीनियरों के लिए एक विश्वसनीय मार्गदर्शिका प्रदान करता है जो इन मूल्यवान रसायनों को अलग और शुद्ध करने के लिए आवश्यक उपकरणों को डिजाइन कर रहे हैं।

इन मिश्रणों के अध्ययन में चुनौती अणुओं के बीच सूक्ष्म अंतर में निहित है। जबकि आइसोब्यूटेनॉल और 1-ब्यूटेनॉल बहुत समान हैं और एक ही रासायनिक भार साझा करते हैं, 2-एथिल-1-हेक्सानोल बहुत बड़ा और भारी है। यह अतिरिक्त भारीपन, उस भाग के चारों ओर एक भौतिक बाधा या 'स्टेरिक हिंडरेंस' (steric hindrance) पैदा करता है जो चिपकाने का काम करता है। कल्पना कीजिए कि आप एक मोटा, भारी दस्ताना पहनकर किसी से हाथ मिलाने की कोशिश कर रहे हैं; संपर्क अभी भी संभव है, लेकिन यह नंगे हाथों की पकड़ की तुलना में थोड़ा कमजोर और कठिन है। 2-एथिल-1-हेक्सानॉल के मामले में, यह "दस्ताना" इसे अपने पड़ोसियों के साथ मजबूत बंधन बनाने में पतला ब्यूटेनॉल अणुओं की तुलना में अधिक कठिन बनाता है। शोधकर्ताओं को एक ऐसे तरीके की आवश्यकता थी जो हर एक मिश्रण के लिए नए नियमों के सेट की आवश्यकता के बिना इस बारीकी को पकड़ सके।

इसे हल करने के लिए, टीम ने 'क्यूबिक-प्लस-एसोसिएशन इक्वेशन ऑफ स्टेट' (Cubic-Plus-Association equation of state) नामक एक थर्मोडायनामिक मॉडल का उपयोग किया। यह दृष्टिकोण एक मानक विधि (जो गैसों और तरल पदार्थों के व्यवहार की गणना करती है) को एक विशिष्ट सिद्धांत के साथ जोड़ता है जो अणुओं के "जुड़ने" या जुड़ाव (association) को ध्यान में रखता है। शोधकर्ताओं ने प्रत्येक अल्कोहल अणु को दो विशिष्ट स्थलों के रूप में माना: एक जो बॉन्ड बनाने के लिए हाइड्रोजन परमाणु प्रदान करता है, और दूसरा जो पड़ोसी से हाइड्रोजन परमाणु को स्वीकार करता है। यह सरल दो-साइट मॉडल तीनों अल्कोहलों के लिए अच्छी तरह से काम कर गया, यहाँ तक कि भारी 2-एथिल-1-हेक्सानॉल के लिए भी। उनकी सफलता की कुंजी इस भारी अणु के लिए बंधन की शक्ति को समायोजित करना था। उन्होंने पाया कि एसोसिएशन ऊर्जा (association energy), जो यह मापती है कि अणु एक-दूसरे को कितनी मजबूती से थामे रखते हैं, 2-एथिल-1-हेक्सानॉल के लिए अन्य दो की तुलना में कम थी। इसने पुष्टि की कि अणु का भौतिक भारीपन वास्तव में हाइड्रोजन बॉन्डिंग को कमजोर करता है, एक ऐसा विवरण जिसे सरल मॉडल अक्सर चूक जाते हैं।

व्यक्तिगत अणुओं के नियमों को स्थापित करने के बाद, टीम मिश्रणों की ओर बढ़ी। उन्होंने तीन अलग-अलग जोड़ों के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए अपने मॉडल का परीक्षण किया: आइसोब्यूटेनॉल के साथ 1-ब्यूटेनॉल, आइसोब्यूटेनॉल के साथ 2-एथिल-1-हेक्सानॉल, और 1-ब्यूटेनॉल के साथ 2-एथिल-1-हेक्सानॉल। उन्होंने अपने गणनाओं की तुलना अन्य वैज्ञानिकों द्वारा एकत्र किए गए नए प्रयोगात्मक डेटा के एक बड़े सेट के विरुद्ध की, जिसमें तापमान और दबाव की एक विस्तृत श्रृंखला शामिल थी। परिणाम आश्चर्यजनक रूप से सटीक थे। दोनों ब्यूटनॉल के मिश्रण के लिए, जो बहुत समान हैं, वास्तविक दुनिया के डेटा से मेल खाने के लिए मॉडल को केवल एक मामूली समायोजन की आवश्यकता थी। भारी 2-एथिल-1-हेक्सानॉल वाले मिश्रण के मामले में, मॉडल ने अच्छा प्रदर्शन किया, हालांकि विभिन्न तापमानों पर अंतःक्रियाओं की बदलती प्रकृति को समझाने के लिए इसे थोड़े अधिक जटिल समायोजन की आवश्यकता थी।

नए मॉडल की सटीकता को इस बात से मापा गया कि इसके अनुमान वास्तविक प्रयोगों से कितनी निकटता से मेल खाते हैं। शुद्ध तरल पदार्थों के वाष्प दबाव (vapor pressure) के लिए, मॉडल लगभग हर मामले में दो प्रतिशत से भी कम की त्रुटि के साथ था। मिश्रणों के उबलने के दौरान उनके संघटन (composition) की भविष्यवाणी करते समय, औसत त्रुटि 1.9 प्रतिशत और 2.8 प्रतिशत के बीच थी। ये संख्याएं औद्योगिक डिजाइन के लिए अत्यधिक उपयोगी होने के लिए पर्याप्त छोटी हैं। तुलनात्मक रूप से, इंजीनियरों द्वारा उपयोग किए जाने वाले अन्य लोकप्रिय तरीकों या तो समान सटीकता प्राप्त करने के लिए कई अधिक समायोज्य संख्याओं की आवश्यकता रखते थे या बिना किसी प्रयोगात्मक डेटा के व्यवहार की सही भविष्यवाणी करने में विफल रहे। नया दृष्टिकोण इसलिए विशिष्ट है क्योंकि यह केवल डेटा पर वक्र (curves) फिट करने के बजाय, भौतिक रूप से सार्थक मापदंडों (parameters)—जो बंधन शक्ति और आकार जैसे वास्तविक आणविक गुणों का प्रतिनिधित्व करते हैं—की एक छोटी संख्या का उपयोग करता है।

यह कार्य महत्वपूर्ण है क्योंकि यह रासायनिक उद्योग के लिए एक व्यावहारिक उपकरण प्रदान करता है। प्लास्टिकाइज़र या बायोफ्यूल बनाने वाले संयंत्रों को अक्सर जटिल मिश्रणों से इन अल्कोहलों को अलग करने की आवश्यकता होती है। यदि इंजीनियर यह भविष्यवाणी नहीं कर सकते कि मिश्रण वास्तव में कैसे व्यवहार करेगा, तो वे बहुत बड़े, बहुत महंगे या केवल अप्रभावी डिस्टिलेशन कॉलम बना सकते हैं। इन अंतःक्रियाओं की गणना करने के लिए एक विश्वसनीय तरीका प्रदान करके, शोधकर्ताओं ने उद्योग के पेशेवरों को पृथक्करण प्रक्रिया में नेविगेट करने के लिए एक बेहतर मानचित्र दिया है। मॉडल ने हाइड्रोजन बॉन्डिंग और आणविक आकार के जटिल नृत्य को सफलतापूर्वक पकड़ा है, जो यह सिद्ध करता है कि भारी और बाधित अणुओं के साथ भी, एक एकीकृत भौतिक ढांचा इन ईंधन-संबंधी रसायनों के व्यवहार को उच्च सटीकता के साथ वर्णित कर सकता है।