Sesamum indicum waste-derived Ag–g-C₃N₄ nanocomposite with photocatalytic properties and as disinfectant for water purification

स्वच्छ जल मानव स्वास्थ्य के लिए एक मौलिक आवश्यकता है, फिर भी अरबों लोग अभी भी सुरक्षित रूप से प्रबंधित जल तक पहुँच से वंचित हैं। जबकि क्लोनीकरण या फिल्ट्रेशन जैसी पारंपरिक विधियाँ लंबे समय से मानक रही हैं, वे अक्सर जहरीले उपोत्पाद छोड़ देती हैं, उनके लिए महंगे उपकरणों की आवश्यकता होती है, या वे हर हानिकारक सूक्ष्मजीव को मारने में विफल रहती हैं। इसके जवाब में, वैज्ञानिकों ने एक अलग दृष्टिकोण अपनाया है: रोगजनकों (pathogens) को नष्ट करने के लिए रासायनिक प्रतिक्रियाओं को संचालित करने हेतु प्रकाश का उपयोग करना। यह क्षेत्र विशेष प्रकार के पदार्थों पर निर्भर करता है जिन्हें फोटोकैटलिस्ट (photocatalysts) कहा जाता है, जो छोटे सौर-संचालित कारखानों की तरह कार्य करते हैं। जब ये सामग्रियां प्रकाश को अवशोषित करती हैं, तो वे अत्यधिक प्रतिक्रियाशील कण उत्पन्न करती हैं जो हानिकारक अवशेष छोड़े बिना बैक्टीरिया और वायरस को तोड़ने में सक्षम होते हैं। हालांकि, इनमें से कई सामग्रियां या तो बहुत महंगी हैं, अक्षम हैं, या कठोर रसायनों का उपयोग किए बिना उत्पादन करने में कठिन हैं।

शोधकर्ताओं के एक दल ने अब कृषि अपशिष्ट को एक उच्च-तकनीकी समाधान में बदलकर एक शक्तिशाली जल-शोधन सामग्री बनाने का एक नया तरीका विकसित किया है। उनका कार्य एक विशिष्ट प्रकार के नैनोकम्पोजिट (nanocomposite) पर केंद्रित है जो सिल्वर कणों और ग्राफाइटिक कार्बन नाइट्राइड नामक पदार्थ से बना है। ग्राफाइटिक कार्बन नाइट्राइड एक धातु-मुक्त सामग्री है जो दृश्य प्रकाश (visible light) के तहत अच्छी तरह से काम करती है, लेकिन यह अक्सर अपने आप में दक्षता के मामले में संघर्ष करती है। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इसे सिल्वर नैनोकणों के साथ मिलाया, जो सामग्री की विद्युत आवेशों को अलग करने और बैक्टीरिया को मारने के लिए आवश्यक प्रतिक्रियाशील कण उत्पन्न करने की क्षमता को बढ़ाने के लिए जाने जाते हैं। इस अध्ययन में सफलता न केवल सामग्रियों के संयोजन में है, बल्कि इस बात में भी है कि उन्हें कैसे बनाया गया। सिंथेटिक रसायनों या खाद्य-आधारित पौधों के अर्क का उपयोग करने के बजाय, जो मानव उपभोग के साथ प्रतिस्पर्धा करते हैं, टीम ने तिल के पौधे के कचरे की राख का उपयोग किया। यह दृष्टिकोण एक कृषि उपोत्पाद को जल सफाई के कार्यात्मक उपकरण में बदल देता है, जो एक चक्रीय अर्थव्यवस्था (circular economy) के सिद्धांतों के अनुरूप है जहाँ कचरा एक संसाधन बन जाता है।

शोधकर्ताओं ने पहले तिल के पौधों को एकत्र किया, उन्हें सुखाया और राख बनाने के लिए जलाया। फिर उन्होंने इस राख को पानी के साथ मिलाकर एक क्षारीय अर्क (alkaline extract) बनाया, जिसने संश्लेषण प्रक्रिया के लिए एक अपचायक (reducing agent) और स्टेबलाइजर दोनों के रूप में कार्य किया। इस हरित अर्क को सिल्वर आयनों और ग्राफाइटिक कार्बन नाइट्राइड पाउडर वाले घोल के साथ मिलाया गया। कुछ घंटों के दौरान, इस अर्क ने सिल्वर आयनों को धात्विक सिल्वर नैनोकणों में बदलने की सुविधा प्रदान की, जो फिर कार्बन नाइट्राइड शीट की सतह पर खुद को जोड़ लेते हैं। परिणाम स्वरूप एक मिश्रित सामग्री प्राप्त हुई जहाँ लगभग 14.5 नैनोमीटर आकार के छोटे सिल्वर कण, कार्बन नाइट्राइड संरचना पर समान रूप से बिखरे हुए थे।

उन्होंने जो बनाया था उसे समझने के लिए, टीम ने सामग्री को कई कठोर परीक्षणों के अधीन किया। उन्होंने आंतरिक क्रिस्टल संरचना को देखने के लिए एक्स-रे विवर्तन (X-ray diffraction) का उपयोग किया, जिससे पुष्टि हुई कि सिल्वर ने सफलतापूर्वक धात्विक अवस्था बना ली है और कार्बन नाइट्राइड ढांचा बरकरार रहा है। सूक्ष्मदर्शी इमेजिंग (Microscopic imaging) से पता चला कि सिल्वर नैनोकण अच्छी तरह से वितरित थे और आपस में गुच्छे नहीं बना रहे थे, जो प्रदर्शन के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है। विश्लेषण ने यह भी दिखाया कि सिल्वर के जुड़ने से सामग्री का सतह क्षेत्र (surface area) काफी बढ़ गया, जिससे एक अधिक छिद्रपूर्ण संरचना बनी जिसमें छोटे छेद हैं जो पानी और बैक्टीरिया को सक्रिय साइटों के साथ अधिक आसानी से परस्पर क्रिया करने की अनुमति देते हैं। स्पेक्ट्रोस्कोपिक परीक्षणों ने आगे सत्यापित किया कि सिल्वर अपने धात्विक रूप में था और कार्बन नाइट्राइड के भीतर रासायनिक बंधन सुरक्षित थे, जो सामग्री की स्थिरता सुनिश्चित करते हैं।

सबसे महत्वपूर्ण खोज यह थी कि सिल्वर ने प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन प्रजातियों (reactive oxygen species) को उत्पन्न करने की सामग्री की क्षमता में कैसे सुधार किया। ये अस्थिर अणु हैं जो शक्तिशाली ऑक्सीडाइज़र के रूप में कार्य करते हैं, जो बैक्टीरिया की कोशिका दीवारों और डीएनए को नुकसान पहुँचाने में सक्षम होते हैं। परीक्षणों ने दिखाया कि सिल्वर नैनोकणों ने इलेक्ट्रॉनों के लिए ट्रैप (traps) के रूप में कार्य किया, जिससे उन्हें छिद्रों (holes) के साथ पुनर्संयोजित होने से रोका गया और इसके बजाय उन्हें पानी में ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करके इन विनाशकारी रेडिकल्स को बनाने की अनुमति मिली। इस तंत्र की पुष्टि इलेक्ट्रॉन स्पिन रेजोनेंस माप द्वारा की गई, जिसने इस नए कम्पोजिट में इन अनपेय इलेक्ट्रॉनों के एक मजबूत संकेत का पता लगाया, जो कि अकेले कार्बन नाइट्राइड सामग्री में बहुत कमजोर संकेत था।

सामग्री का वास्तविक परीक्षण तब आया जब शोधकर्ताओं ने दृश्य प्रकाश के तहत सामान्य जल प्रदूषकों को इसके संपर्क में लाया। उन्होंने दो अलग-अलग प्रकार के बैक्टीरिया के कल्चर को कम्पोजिट के संपर्क में लाया: एस्चेरिचिया कोली (Escherichia coli), जो मल संदूषण का एक सामान्य सूचक है, और स्टैफिलोकोकस ऑरियस (Staphylococcus aureus), जो एक लचीला बैक्टीरिया है। दृश्य प्रकाश के संपर्क में 60 मिनट के भीतर, सामग्री ने E. coli की आबादी में 93% की कमी और Staphylococcus aureus में 89% की कमी हासिल की। प्रक्रिया E. coli के लिए स्पष्ट रूप से तेज थी, जो संभवतः इसकी पतली कोशिका भित्ति के कारण थी, लेकिन सामग्री दोनों के खिलाफ प्रभावी साबित हुई। यह विसंक्रमण (disinfection) पराबैंगनी प्रकाश, बाहरी ऑक्सीडेंट या विद्युत ऊर्जा की आवश्यकता के बिना हुआ, जो पूरी तरह से वातावरण में उपलब्ध दृश्य प्रकाश पर निर्भर था।

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि कृषि अपशिष्ट से प्राप्त सामग्रियों का उपयोग करके अत्यधिक प्रभावी जल विसंक्रमण उपकरण बनाना संभव है। तिल की राख का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने विषाक्त रसायनों या खाद्य संसाधनों के उपयोग से बचा, जो एक कम लागत वाला और टिकाऊ मार्ग प्रदान करता है। परिणामी सामग्री ग्राफाइटिक कार्बन नाइट्रिड के प्रकाश-अवशोषक गुणों को सिल्वर की जीवाणुरोधी शक्ति के साथ जोड़ती है, जिससे एक ऐसी प्रणाली बनती है जो कुशल और पर्यावरण के अनुकूल दोनों है। हालांकि वास्तविक दुनिया में अनुप्रयोग के लिए इस तकनीक को बड़े पैमाने पर ले जाने के लिए और कार्य की आवश्यकता है, लेकिन ये निष्कर्ष एक सम्मोहक प्रमाण प्रस्तुत करते हैं कि अपशिष्ट उत्पादों को मानवता की सबसे गंभीर चुनौतियों में से एक के लिए उन्नत समाधानों में बदला जा सकता है।