Pyrolysis-driven molecular reorganization controls photon absorption and reactive-intermediate formation in sewage sludge biochar-derived dissolved organic matter

जब सीवेज उपचार संयंत्र हमारे अपशिष्ट जल को साफ करने का काम पूरा कर लेते हैं, तो उनके पास एक गाढ़ा, गीला कीचड़ (स्लज) बच जाता है जो कार्बनिक पदार्थों से भरपूर होता है। इस कचरे के प्रबंधन के लिए, कई सुविधाएं अब इसे ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में गर्म करती हैं, जिसे पायरोलिसिस (pyrolysis) कहा जाता है, जो इस कीचड़ को बायोचार नामक एक ठोस, चारकोल जैसे पदार्थ में बदल देता है। इस बायोचार को अक्सर मिट्टी के स्वास्थ्य में सुधार के लिए खेतों में फैलाया जाता है। हालांकि, जब इस नए मृदा संशोधक (soil amendment) पर बारिश होती है, तो बायोचार के भीतर मौजूद कार्बन का एक छोटा हिस्सा पानी में घुल जाता है, जिससे कार्बनिक अणुओं का एक जटिल मिश्रण बन जाता है। वैज्ञानिक इस घुले हुए पदार्थ को 'बायोचार-व्युत्पन्न घुलित कार्बनिक पदार्थ' (biochar-derived dissolved organic matter) कहते हैं। पानी में पहुँचने के बाद, यह मिश्रण केवल वहीं नहीं रहता; यह सूर्य के प्रकाश के साथ अंतःक्रिया करता है। ये अणु प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित कर सकते हैं और इसका उपयोग अत्यधिक प्रतिक्रियाशील रासायनिक प्रजातियों को बनाने के लिए कर सकते हैं जो प्रदूषकों को तोड़ सकती हैं या पोषक तत्वों के संचलन के तरीके को बदल सकती हैं। बायोचार के उपयोग के पर्यावरणीय प्रभाव का पूर्वानुमान लगाने के लिए यह समझना अत्यंत महत्वपूर्ण है कि इस सामग्री का ठीक कितना हिस्सा घुलता है, इसके अणु कैसे दिखते हैं, और सूर्य के प्रकाश के तहत वे कैसे व्यवहार करते हैं।

अनहुई विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय और चीनी विज्ञान अकादमी के शोधकर्ताओं ने विभिन्न छह तापमानों पर सीवेज स्लज से बायोचार बनाकर इन परिवर्तनों का मानचित्रण करने का प्रयास किया, जो 200 डिग्री सेल्सियस के हल्के तापमान से लेकर 700 डिग्री सेल्सियस के अत्यधिक उच्च तापमान तक फैला हुआ था। इसके बाद उन्होंने प्रत्येक प्रकार के बायोचार को घुलित कार्बनिक पदार्थ निकालने के लिए पानी से धोया और परिणामी समाधानों का विश्लेषण करने के लिए उन्नत उपकरणों के एक समूह का उपयोग किया। उन्होंने मापा कि कितना कार्बन घुला, पानी ने प्रकाश को कितनी मजबूती से अवशोषित किया, और मौजूद अणुओं का आकार और रासायनिक संरचना क्या थी। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने इन समाधानों को कृत्रिम सूर्य के प्रकाश के संपर्क में रखा ताकि यह देखा जा सके कि कितने प्रतिक्रियाशील रासायनिक मध्यवर्ती (reactive chemical intermediates) उत्पन्न होते हैं। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या केवल स्लज को अधिक गर्म करने से घुला हुआ पदार्थ हमेशा अधिक या कम प्रतिक्रियाशील हो जाता है, या क्या यह संबंध अधिक जटिल है।

अध्ययन ने घुलने वाली सामग्री और उसकी सक्रियता के बीच एक आश्चर्यजनक विसंगति का खुलासा किया। जैसे-जैसे गर्म करने का तापमान बढ़ा, बायोचार से निकलने वाले कार्बन की मात्रा नाटकीय रूप रूप से गिर गई, जो सबसे कम से उच्चतम तापमान के बीच 97 प्रतिशत से अधिक कम हो गई। कोई यह मान सकता है कि कम सामग्री का अर्थ कम रासायनिक गतिविधि होगा, लेकिन शोधकर्ताओं ने पाया कि एक विशिष्ट तापमान सीमा के लिए इसके विपरीत सच था। 400 डिग्री सेल्सियस पर गर्म किए गए बायोचार से प्राप्त घुला हुआ पदार्थ, भले ही मात्रा में बहुत कम था, प्रकाश को अवशोषित करने में सबसे प्रभावी था। इस नमूने में विशिष्ट आणविक संरचनाओं की उच्च सांद्रता थी जो सौर ऊर्जा को पकड़ने में कुशल हैं, जिससे प्रकाश के संपर्क में आने पर प्रतिक्रियाशील रसायनों का उच्चतम उत्पादन हुआ। वास्तव में, रासायनिक प्रतिक्रियाशीलता का शिखर 400 डिग्री पर हुआ, भले ही उस तापमान पर घुला हुआ कार्बन की मात्रा कम तापमान वाले बायोचार की तुलना में पहले से ही काफी कम थी।

टीम ने समाधानों की आणविक संरचना को देखने के लिए हाई-रिज़ॉल्यूशन मास स्पेक्ट्रोमेट्री का उपयोग किया और पाया कि तापमान बढ़ने के साथ रसायन विज्ञान नाटकीय रूप से बदल गया। निम्न तापमान पर, घुले हुए अणु नाइट्रोजन से समृद्ध थे, जो मूल सीवेज स्लज की प्रोटीन-प्रधान प्रकृति को दर्शाते हैं। हालांकि, जैसे-जैसे तापमान 400 डिग्री तक पहुँचा, मिश्रण असंतृप्त (unsaturated), वलय जैसी (ring-like) संरचनाओं से प्रधान हो गया जो प्रकाश को अवशोषित करने में उत्कृष्ट हैं। फिर, 400 और 500 डिग्री के बीच, एक बड़ा आणविक बदलाव हुआ। शोधकर्ताओं ने देखा कि वे विशिष्ट अणु जो 400-डिग्री के नमूने को इतना प्रतिक्रियाशील बनाते थे, काफी हद तक गायब हो गए, और उनकी जगह एक अलग प्रकार के अणु आ गए जो अधिक संतृप्त (saturated) थे और जिनमें सल्फर शामिल था। यह संक्रमण इतना तीव्र था कि 500-डिग्री के नमूने का रासायनिक फिंगरप्रिंट 400-डिग्री के नमूने से लगभग पूरी तरह से भिन्न था, जिसमें बहुत कम साझा अणु थे।

इन परिवर्तनों के बावजूद, अध्ययन ने दिखाया कि सबसे प्रतिक्रियाशील नमूना वह नहीं था जो प्रकाश को रासायनिक ऊर्जा में बदलने में उच्चतम दक्षता रखता था, बल्कि वह था जिसने केवल सबसे अधिक प्रकाश अवशोषित किया। 500 डिग्री से ऊपर के तापमान पर, शेष घुला हुआ पदार्थ प्रकाश को अवशोषित करने में बहुत खराब रहा, भले ही बचे हुए कुछ अणु जो प्रकाश पकड़ते थे, उसका उपयोग करने में आश्चर्यजनक रूप से कुशल थे। हालांकि, यह उच्च दक्षता उस प्रकाश अवशोषण की कमी की भरपाई नहीं कर सकी जो वे प्राप्त करते थे। परिणाम यह हुआ कि उच्च तापमान पर प्रतिक्रियाशील रसायनों की कुल मात्रा काफी कम हो गई। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि गर्म करने की प्रक्रिया ने प्रभावी रूप से तीन अलग-अलग कारकों को अलग कर दिया: कितना कार्बन निकलता है, कितना प्रकाश पकड़ा जाता है, और उस प्रकाश का उपयोग कितनी कुशलता से किया जाता है।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि सीवेज-स्लज बायोचार के पर्यावरणीय व्यवहार का पूर्वानुमान केवल एक कारक, जैसे कि कितना कार्बन घुलता है या बायोचार को कितना गर्म किया गया था, को देखकर नहीं लगाया जा सकता है। इसके बजाय, हीटिंग तापमान एक स्विच की तरह कार्य करता है जो यह नियंत्रित करता है कि कौन सा कारक हावी होगा। सबसे अधिक रासायनिक रूप से सक्रिय घुला हुआ पदार्थ 400 डिग्री के मध्यवर्ती तापमान पर पाया गया, जहाँ आणविक संरचनाओं का संतुलन अधिकतम प्रकाश अवशोषण की अनुमति देता है। यह निष्कर्ष बताता है कि यदि लक्ष्य पर्यावरण में प्रतिक्रियाशील रसायनों के निर्माण को कम करना है, तो केवल बायोचार को बहुत उच्च तापमान तक गर्म करना सबसे अच्छी रणनीति नहीं हो सकती है, क्योंकि शेष घुला हुआ पदार्थ, भले ही कम मात्रा में हो, फिर भी कुछ रासायनिक गतिविधि बनाए रखता है। यह अध्ययन एक स्पष्ट, विस्तृत मानचित्र प्रदान करता है कि कैसे ऊष्मा सीवेज कचरे को एक घुले हुए मिश्रण में बदल देती है, यह दिखाते हुए कि कचरे से जल रसायन तक का मार्ग एक सरल रैखिक प्रगति के बजाय आणविक पुनर्गठन के जटिल अंतर्संबंध द्वारा शासित होता है।