Study on the removal efficiency of Cr(VI) from corn cob biochar loaded with zero-valent iron on wastewater

भारी धातुओं से दूषित पानी पारिस्थितिक तंत्र और मानव स्वास्थ्य के लिए एक निरंतर खतरा पैदा करता है, जिसे साफ करने के लिए निरंतर सतर्कता और नवाचार की आवश्यकता होती है। इन प्रदूषकों के बीच, हेक्सावलेंट क्रोमियम विशेष रूप से खतरनाक माना जाता है; यह धातु का एक जहरीला रूप है जो अक्सर औद्योगिक अपशिष्ट जल में पाया जाता है, और यदि यह खाद्य श्रृंखला या पीने के पानी की आपूर्ति में प्रवेश करता है तो गंभीर नुकसान पहुँचाने में सक्षम है। ऐसे विषाक्त पदार्थों को हटाने के पारंपरिक तरीकों में अक्सर महंगे रसायनों या जटिल मशीनरी पर निर्भर रहना पड़ता है, लेकिन शोधकर्ता तेजी से सरल, सस्ते समाधानों के लिए प्रकृति की ओर देख रहे हैं। एक आशाजनक मार्ग बायोचार (biochar) का उपयोग करना है, जो एक चारकोल जैसा पदार्थ है जिसे कम ऑक्सीजन वाले वातावरण में पौधों की सामग्री को जलाकर बनाया जाता है। यह सामग्री स्वाभाविक रूप से छिद्रपूर्ण होती है और एक स्पंज की तरह कार्य करती है, जो प्रदूषकों को अपनी सतह पर फँसा लेती है। हालाँकि, मानक बायोचार में कभी-कभी सबसे जिद्दी विषाक्त पदार्थों को कुशलतापूर्वक पकड़ने की शक्ति की कमी होती है। इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिक बायोचार को ज़ीरो-वेलेंट आयरन (zero-valent iron) के साथ मिलाने की सीख रहे हैं, जो लोहे का एक अत्यधिक प्रतिक्रियाशील रूप है जो जहरीली धातुओं को सुरक्षित संस्करणों में रासायनिक रूप से तोड़ सकता है। चुनौती इन लोहे के कणों को आपस में गुच्छे बनाने से रोकने की रही है, जो उनके प्रभावी ढंग से काम करने को रोकता है।

हाल ही में एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने एक आश्चर्यजनक रूप से प्राकृतिक घटक का उपयोग करके उन्हें आपस में जोड़ने के लिए मक्का के भुट्टे के बायोचार को ज़ीरो-वेलेंट आयरन के साथ मिलाकर एक बेहतर सफाई सामग्री बनाने का लक्ष्य रखा। इन लोहे के कणों को बनाने के लिए कठोर औद्योगिक रसायनों का उपयोग करने के बजाय, टीम ने अंगूर के बीज के अर्क (grape seed extract) की ओर रुख किया, जो वाइन बनाने के कचरे से प्राप्त होता है और इसमें प्राकृतिक यौगिक प्रचुर मात्रा में होते हैं जो धातुओं को कम कर सकते हैं। उन्होंने सूखे मक्के के भुट्टों को लिया, जो एक सामान्य कृषि उपोत्पाद है जिसे अक्सर जला दिया जाता है या फेंक दिया जाता है, और उन्हें एक छिद्रपूर्ण बायोचार बनाने के लिए गर्म किया। एक अलग प्रक्रिया में, उन्होंने लोहे के लवणों (iron salts) को अंगूर के बीज के अर्क के साथ मिलाया ताकि सूक्ष्म, प्रतिक्रियाशील लोहे के कण उत्पन्न किए जा सकें। इन दोनों घटकों को मिलाकर, उन्होंने एक ऐसी मिश्रित सामग्री बनाई जहाँ लोहे के कण बायोचार की सतह पर टिके हुए थे। इस दृष्टिकोण ने लोहे को गुच्छे बनाने से रोका और यह सुनिश्चित किया कि प्रतिक्रियाशील स्थल पानी के संपर्क में रहें। शोधकर्ताओं ने फिर इस नई सामग्री का एक नियंत्रित सेटिंग में परीक्षण किया, जिसमें हेक्सावलेंट क्रोमियम युक्त पानी डाला गया ताकि यह देखा जा सके कि यह घोल को कितनी अच्छी तरह साफ कर सकती है।

प्रयोग के परिणाम चौंकाने वाले थे। जब टीम ने अंगूर के बीज से बने लोहे से युक्त मक्के के भुट्टे के बायोचार का उपयोग किया, तो सामग्री ने पानी से लगभग 96 प्रतिशत क्रोमियम को हटा दिया। यह प्रदर्शन अकेले बायोचार या अकेले लोहे के उपयोग की तुलना में काफी बेहतर था। यह सामग्री विषाक्त पदार्थ की एक बड़ी मात्रा को थामने में सक्षम थी, जिसमें मिश्रण का प्रत्येक ग्राम 24 मिलीग्राम से अधिक क्रोमियम को पकड़ लेता था। शोधकर्ताओं ने पाया कि मिश्रण में कार्बन के अनुपात में लोहे का अनुपात बहुत मायने रखता था; जब उन्होंने दोनों सामग्रियों को समान रूप से संतुलित किया, तो सफाई दक्षता अपने चरम पर पहुँच गई। यदि लोहा बहुत अधिक था, तो कण एक-दूसरे को घेरने लगे, जिससे प्रतिक्रिया के लिए उपलब्ध सतह क्षेत्र कम हो गया। इसी तरह, पानी की अम्लता (acidity) ने भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। यह सामग्री अम्लीय स्थितियों में सबसे अच्छा काम करती है, जहाँ विषाक्तता को तोड़ने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाएं सबसे आसानी से होती हैं। जैसे-जैसे पानी अधिक तटस्थ या क्षारीय होता गया, हटाने की दर गिर गई, हालांकि सामग्री ने कम अनुकूल परिस्थितियों में भी बिना संशोधित बायोचार की तुलना में बेहतर प्रदर्शन किया।

इस सामग्री ने वास्तव में कैसे काम किया, इसे समझने के लिए वैज्ञानिकों ने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी से इसका परीक्षण किया और पानी को साफ करने से पहले और बाद में इसकी रासायनिक संरचना का विश्लेषण किया। उन्होंने देखा कि लोहे के कण, जो स्वाभाविक रूप से बड़े गुच्छों में चिपकने की प्रवृत्ति रखते हैं, मक्के के भुट्टे के बायोचार की खुरदरी सतह पर सफलतापूर्वक अलग और फैले हुए थे। यह अलगाव प्रतिक्रिया के लिए उच्च सतह क्षेत्र बनाए रखने के लिए महत्वपूर्ण था। रासायनिक विश्लेषण से पता चला कि सफाई की प्रक्रिया केवल धातु को भौतिक रूप से फँसाना नहीं था। इसके बजाय, सामग्री ने एक रासायनिक परिवर्तन किया। प्रतिक्रियाशील लोहे के कणों ने जहरीले क्रोमियम को इलेक्ट्रॉन दिए, जिससे वह अपने खतरनाक हेक्सावलेंट रूप से बहुत कम जहरीले ट्राइवेलेंट (trivalent) रूप में बदल गया। साथ ही, लोहा स्वयं ऑक्सीकृत होकर आयरन ऑक्साइड में बदल गया। बायोचार की सतह, जो ऑक्सीजन युक्त समूहों से समृद्ध है, ने इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण और रासायनिक बंधन के माध्यम से धातु आयनों को अपनी जगह पर बनाए रखने में मदद की। रासायनिक न्यूनीकरण (chemical reduction) और भौतिक अधिशोषण (physical adsorption) की इस दोहरी क्रिया का अर्थ था कि सामग्री एक साथ दो काम कर रही थी: जहर को बेअसर करना और उसे लॉक करना।

अध्ययन में यह भी देखा गया कि क्या इस सामग्री का एक से अधिक बार उपयोग किया जा सकता है, जो वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोग के लिए एक महत्वपूर्ण कारक है। सामग्री द्वारा क्रोमियम को अवशोषित करने के बाद, शोधकर्ताओं ने फंसे हुए धातु को मुक्त करने के लिए इसे एक हल्के क्षारीय घोल के साथ धोया, जिससे सामग्री को पुनर्जीवित (regenerate) किया गया। उन्होंने इस चक्र को पांच बार दोहराया। हालांकि प्रत्येक उपयोग के साथ दक्षता कम होती गई, जो लगभग 97 प्रतिशत से गिरकर केवल 50 प्रतिशत से ऊपर रह गई, फिर भी सामग्री ने पानी को साफ करने की उल्लेखनीय क्षमता बनाए रखी। यह बताता है कि मिश्रण को बदलने से पहले यह कंपोजिट कई बार उपयोग करने के लिए पर्याप्त स्थिर है, जो इसे अपशिष्ट जल उपचार के लिए एक संभावित लागत प्रभावी विकल्प बनाता है। यह शोध पुष्टि करता है कि उन्नत सफाई सामग्री बनाने के लिए मक्के के भुट्टे और अंगूर के बीजों जैसे कृषि कचरे का उपयोग करना एक व्यवहार्य मार्ग है। कृषि कचरे को उच्च प्रदर्शन वाले उपकरण में बदलकर, यह अध्ययन महंगी या जहरीली सिंथेटिक रसायनों पर निर्भर हुए बिना भारी धातु प्रदूषण से निपटने का एक व्यावहारिक तरीका प्रदर्शित करता है। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि सबसे प्रभावी समाधान अक्सर सरल, प्राकृतिक संसाधनों को आणविक स्तर पर उनकी परस्पर क्रिया की गहरी समझ के साथ जोड़ने में निहित होते हैं।