Study on the Removal of Cesium from Simulated Seawater using Ammonium Phosphomolybdate (AMP) and Natural Zeolite Alginate Microcapsules

जब कोई परमाणु सुविधा संचालित होती है, या जब उसे सेवामुक्त किया जाता है, तो वह रेडियोधर्मी तत्वों से दूषित पानी उत्पन्न करती है। इनमें से, सीज़ियम एक विशेष चिंता का विषय है। यह पानी में आसानी से घुल जाता है, पर्यावरण में तेज़ी से फैलता है, और दशकों तक रेडियोधर्मी बना रहता है। इसे हटाना सुरक्षा के लिए महत्वपूर्ण है, लेकिन जब वह पानी समुद्री जल हो, तो यह एक कठिन पहेली बन जाता है। समुद्री जल सामान्य लवणों जैसे सोडियम, पोटेशियम, कैल्शियम और मैग्नीशियम से भरा होता है। ये हानिरहित आयन रेडियोधर्मी सीज़ियम को बाहर धकेल देते हैं, जिससे मानक सफाई सामग्री के लिए इस खतरनाक तत्व को पकड़ना कठिन हो जाता है। वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि कुछ खनिज सीज़ियम के लिए चुंबक की तरह कार्य कर सकते हैं, जो नमक को अनदेखा करते हुए उसे पानी से बाहर खींच लेते हैं। हालाँकि, इन महीन खनिज पाउडरों को बहती हुई नदी या उपचार संयंत्र के लिए व्यावहारिक चीज़ में बदलना कठिन है; पाउडर इतना महीन होता है कि उसे आसानी से फ़िल्टर नहीं किया जा सकता, और पानी में मौजूद नमक इसकी पकड़ को अक्सर कमजोर कर देता है।

ताइवान के शोधकर्ताओं ने समुद्री वातावरण के भीतर काम करने के लिए डिज़ाइन की गई दो अलग-अलग खनिज-आधारित सामग्रियों का परीक्षण करके इस विशिष्ट समस्या को हल करने का प्रयास किया। उन्होंने अमोनियम फॉस्फोमोलिब्डेट नामक एक अत्यधिक चयनात्मक खनिज और ज़ियोलाइट (zeolite) नामक एक प्राकृतिक खनिज लिया, और फिर प्रत्येक को समुद्री शैवाल के अर्क से बने एक नरम, जेली जैसे खोल के भीतर लपेटा। यह खोल, जिसे एल्जिनेट माइक्रोकैप्सूल कहा जाता है, एक सुरक्षात्मक जाल की तरह कार्य करता है। यह महीन खनिज पाउडर को उसकी जगह पर बनाए रखता है ताकि उसे एक कॉलम में डाला जा सके और पानी से धोया जा सके ताकि वह बह न जाए, जबकि यह पानी को अंदर मौजूद खनिज को छूने के लिए प्रवाहित होने देता है। टीम यह देखना चाहती थी कि इन दो लिपटे हुए खनिजों में से कौन सा समुद्री जल से सीज़ियम को पकड़ने में बेहतर होगा, और क्या वे इसे वास्तविक दुनिया की उपचार प्रणाली में उपयोगी होने के लिए पर्याप्त तेज़ी से कर सकते हैं।

अध्ययन की शुरुआत इन नन्हे कैप्सूलों को बनाने से हुई। शोधकर्ताओं ने खनिज पाउडर को तरल समुद्री शैवाल के घोल के साथ मिलाया और मिश्रण को कैल्शियम स्नान में डाला। कैल्शियम ने एक गोंद की तरह कार्य किया, जिससे बूंदें तुरंत ठोस, गोल मोतियों में बदल गईं जिन्होंने खनिजों को अपने भीतर कैद कर लिया। उन्होंने दो बैच बनाए: एक अमोनियम फॉस्फोमोलिब्डेट से भरा हुआ और दूसरा प्राकृतिक ज़ियोलाइट से भरा हुआ। परीक्षण करने के लिए, उन्होंने कृत्रिम समुद्री जल, जिसमें सीज़ियम की थोड़ी मात्रा मिली हुई थी, को मोतियों के ऊपर डाला। उन्होंने मापा कि मोती कितना सीज़ियम धारण कर सकते हैं और वे पानी से इसे कितनी अच्छी तरह बाहर रखते हैं। परिणामों ने दोनों के बीच स्पष्ट अंतर दिखाया। अमोनियम फॉस्फोमोलिब्डेट वाले मोती श्रेष्ठ पकड़कर्ता साबित हुए। उन्होंने ज़ियोलाइट मोतियों की तुलना में सीज़ियम को बहुत अधिक मजबूती से और अधिक मात्रा में पकड़ा। विशेष रूप से, अमोनियम फॉस्फोमोलिब्डेट मोतियों ने लगभग 0.102 मिलीमोल सीज़ियम प्रति ग्राम सामग्री पकड़ा, जबकि ज़ियोलाइट मोतियों ने लगभग 0.078 मिलीमोल प्रति ग्राम पकड़ा। अंतर इस बात में भी बहुत गहरा था कि वे सीज़ियम को कितनी मजबूती से पकड़ते हैं; अमोनियम फॉस्फोमोलिब्डेट मोतियों ने एक वितरण गुणांक (distribution coefficient) दिखाया, जो किसी पदार्थ को पानी से खींचने की प्रभावशीलता का माप है, जो ज़ियोलाइट मोतियों की तुलना में लगभग सात गुना अधिक था।

यह देखने के लिए कि क्या ये सामग्रियां निरंतर प्रवाह में काम कर सकती हैं, जैसा कि एक जल उपचार संयंत्र में होता है, शोधकर्ताओं ने मोतियों को एक कॉलम में भरा और उच्च गति से दूषित समुद्री जल को उनके माध्यम से पंप किया। उन्होंने 50 मिलीलीटर प्रति मिनट जैसी तेज़ प्रवाह दर पर परीक्षण किया। इस तीव्र गति पर भी, अमोंियम फॉस्फोमोलिब्डेट मोतियों ने 99 प्रतिशत सीज़ियम को हटा दिया। जब प्रवाह की गति थोड़ी बढ़ी, तो दक्षता में गिरावट आई लेकिन यह 90 प्रतिशत से ऊपर बनी रही, जिससे सिद्ध हुआ कि सामग्री अपनी प्रभावशीलता खोए बिना एक वास्तविक उपचार प्रणाली के दबाव को संभाल सकती है। ज़ियोलाइट मोतियों ने भी समान परिस्थितियों में 90 प्रतिशत से अधिक सीज़ियम को हटाकर अच्छा प्रदर्शन किया, लेकिन वे क्षमता और पकड़ की मजबूती दोनों में लगातार अमोनियम फॉस्फोमोलिब्डेट से पीछे रहे।

टीम ने यह भी बारीकी से देखा कि काम पूरा करने के बाद मोतियों के साथ क्या हुआ। शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और रासायनिक स्कैनर का उपयोग करते हुए, उन्होंने सीज़ियम के संपर्क में आने से पहले और बाद में मोतियों की सतह का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि मोती शारीरिक रूप से स्थिर रहे; उनकी आंतरिक संरचना नहीं ढही, और उनका सतही क्षेत्रफल, जो प्रदूषकों को पकड़ने के लिए महत्वपूर्ण है, लगभग वैसा ही रहा। स्कैन ने पुष्टि की कि सीज़ियम वास्तव में मोतियों की सतह से जुड़ गया था। हालाँकि, स्कैन ने यह भी खुलासा किया कि समुद्री जल में अन्य सभी लवणों की उपस्थिति ने सीज़ियम को सतह पर दिखने में कठिन बना दिया, जैसा कि शुद्ध पानी में किए गए परीक्षणों में देखा गया था। नमकीन वातावरण ने ज़ियोलाइट मोतियों के लिए सतह पर पता चलने वाले सीज़ियम की मात्रा को लगभग आधा और अमोनियम फॉस्फोमोलिब्डेट के लिए लगभग 45 प्रतिशत कम कर दिया। इसने पुष्टि की कि हालांकि समुद्री जल ने काम को कठिन बना दिया था, फिर भी अमोनियम फॉस्फोमोलिब्डेट मोती नमक के आयनों की प्रतिस्पर्धा से निपटने के लिए पर्याप्त मजबूत थे।

अंततः, यह शोध प्रदर्शित करता है कि इन विशिष्ट खनिजों को समुद्री शैवाल आधारित खोल में लपेटना नमकीन पानी से रेडियोधर्मी सीज़ियम को साफ करने के लिए एक टिकाऊ और प्रभावी उपकरण बनाता है। अमोनियम फॉस्फोमोलिब्डेट मोती सबसे मजबूत उम्मीदवार के रूप में उभरे, जो उच्च क्षमता और उच्च नमक सांद्रता की उपस्थिति में भी रेडियोधर्मी तत्व को बेहतर ढंग से बनाए रखने की क्षमता प्रदान करते हैं। अध्ययन सुझाव देता है कि ये मिश्रित सामग्रियां परमाणु अपशिष्ट जल के उपचार के लिए एक व्यावहारिक विधि के रूप में आगे के विकास के लिए तैयार हैं, जो सामग्रियों के टूटने या बह जाने के बिना समुद्र से खतरनाक विकिरण को अलग करने का एक तरीका प्रदान करती हैं।