Synergistic Adsorption-Reduction-Immobilization of Cr(VI) by Fe/Mg-LDH/Biochar:Experimental Validation and DFT/AIMD Mechanistic Insights

हमारे पैरों के नीचे की मिट्टी एक जटिल जीवित प्रणाली है, लेकिन यह खतरनाक रसायनों का भंडार भी बन सकती है। इनमें सबसे स्थायी और हानिकारक क्रोमियम जैसे भारी धातुएं हैं। पर्यावरण में, क्रोमियम दो मुख्य रूपों में मौजूद होता है। एक रूप, जिसे क्रोमियम तीन (chromium three) के रूप में जाना जाता है, अपेक्षाकृत स्थिर है और कम मात्रा में जीवन के लिए आवश्यक भी है। दूसरा रूप, क्रोमियम छह (chromium six) है, जो पूरी तरह से अलग कहानी है। यह अत्यधिक विषैला है, पानी और मिट्टी के माध्यम से आसानी से घूम सकता है, और यदि यह खाद्य श्रृंखला या पीने के पानी में प्रवेश करता है, तो कैंसर सहित गंभीर स्वास्थ्य समस्याएं पैदा कर सकता है। क्योंकि क्रोमियम छह इतनी आसानी से यात्रा करता है, इसलिए दूषित मिट्टी को केवल दफना देना ही अक्सर पर्याप्त नहीं होता है; जहर फिर से रिस सकता है, विशेष रूप से तब जब बारिश जमीन के माध्यम से गुजरती है या मिट्टी की रसायन संरचना बदल जाती है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस गतिशील जहर को फंसाने का एक तरीका खोज रहे थे, ताकि इसे एक हानिरहित, ठोस रूप में बदला जा सके जो दशकों तक अपनी जगह पर टिका रहे।

शंघाई विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इस सटीक समस्या को हल करने के लिए डिज़ाइन की गई एक नई सामग्री विकसित की है। उन्होंने दो अलग-अलग घटकों को मिलाकर एक मिश्रित पदार्थ बनाया: एक प्रकार का स्तरित खनिज जिसे 'डबल हाइड्रॉक्साइड' कहा जाता है और एक कार्बन-समृद्ध सामग्री जिसे 'बायोचार' (biochar) के रूप में जाना जाता है। खनिज एक स्पंज की तरह कार्य करता है जो जहरीले क्रोमियम को पकड़ सकता है और उसकी रासायनिक प्रकृति को बदल सकता है, जबकि बायोचार एक मजबूत, छिद्रपूर्ण ढांचा (scaffold) के रूप में कार्य करता है जो खनिज को उसकी जगह पर बनाए रखता है और उसे अधिक कुशलता से काम करने में मदद करता है। इस खनिज को सीधे बायोचार की सतह पर उगाकर, टीम ने एक ऐसी सामग्री बनाई जो दोनों घटकों में से किसी एक के अकेले होने की तुलना में कहीं अधिक प्रभावी है। उनका कार्य यह प्रदर्शित करता है कि यह नया सम्मिश्र (composite) न केवल पानी से क्रोमियम को पकड़ सकता है, बल्कि इसे दूषित मिट्टी में सुरक्षित रूप से लॉक भी कर सकता है, जिससे यह कभी भी खतरा न बन सके।

इस सामग्री को बनाने की यात्रा एक सरल अवलोकन के साथ शुरू हुई: जबकि खनिज घटक क्रोमियम को पकड़ने में उत्कृष्ट है, यह मिट्टी में आपस में गुच्छे बनाने लगता है, जिससे इसकी प्रभावशीलता काफी कम हो जाती है। बायोचार, अपने आप में, छोटे छेदों का एक विशाल नेटवर्क और रासायनिक समूहों वाली एक सतह रखता है जो प्रदूषकों के साथ परस्पर क्रिया कर सकते हैं, लेकिन इसमें जहरीले क्रोमियम को एक सुरक्षित रूप में बदलने की विशिष्ट शक्ति की कमी है। शोधकर्ताओं ने इन दोनों को मिलाने का निर्णय लिया। उन्होंने मक्का के पुआल (corn straw), जो एक सामान्य कृषि अपशिष्ट है, को नियंत्रित वातावरण में गर्म करके बायोचार में बदल दिया। फिर, उन्होंने खनिज के अवयवों को सीधे इस बायोचार की सतह पर पेश किया। एक रासायनिक प्रक्रिया के माध्यम से, खनिज छोटी, सपाट चादरों के रूप में विकसित हुआ जो कार्बन संरचना से मजबूती से चिपक गया, जिससे एक हाइब्रिड सामग्री बनी जिसे उन्होंने FML@BC नाम दिया। यह नई सामग्री केवल दो पाउडर का मिश्रण नहीं थी; दोनों भाग रासायनिक रूप से एक साथ जुड़े हुए थे, जिससे एक एकल, एकीकृत संरचना बन गई।

जब टीम ने पानी में इस नई सामग्री का परीक्षण किया, तो परिणाम चौंकाने वाले थे। उन्होंने इस सम्मिश्र को विभिन्न स्थितियों के तहत क्रोमियम छह वाले घोलों के संपर्क में रखा, जिसमें अम्लता के विभिन्न स्तर और पर्यावरण में पाए जाने वाले अन्य सामान्य रसायन शामिल थे। यह सामग्री उल्लेखनीय रूप से लचीली साबित हुई। इसने अधिकांश प्राकृतिक मिट्टी की सामान्य स्थिति, यानी थोड़े अम्लीय से लेकर लगभग तटस्थ pH रेंज में, जहरीले क्रोमियम को अस्सी प्रतिशत से अधिक हटा दिया। एक नियंत्रित परीक्षण में, इसने 96.5 प्रतिशत की अधिकतम निष्कासन दर प्राप्त की। यह प्रदर्शन अकेले बायोचार या अकेले खनिज की तुलना में काफी बेहतर था, और यह दोनों के साधारण भौतिक मिश्रण से भी श्रेष्ठ था। इसकी कुंजी उनके बीच का रासायनिक बंधन था; इस जुड़ाव ने खनिज की चादरों को गुच्छे बनाने से रोका और यह सुनिश्चित किया कि उनके सक्रिय स्थल (active sites) खुले और काम करने के लिए तैयार रहें। सामग्री ने बड़ी स्थायता भी दिखाई, जिसने लगातार पांच बार उपयोग और सफाई के बाद भी अपनी प्रभावशीलता बनाए रखी।

यह देखने के लिए कि क्या यह सामग्री वास्तविक दुनिया में काम कर सकती है, शोधकर्ताओं ने प्रयोगशाला से वास्तविक मिट्टी की ओर रुख किया। उन्होंने चीन के गांसु प्रांत के एक खेत से मिट्टी ली, जो क्रोमियम के उच्च स्तर से दूषित था। उन्होंने इस नए सम्मिश्र को अलग-अलग मात्रा में मिट्टी में मिलाया और यह देखने के लिए प्रतीक्षा की कि क्या होता है। नब्बे दिनों की अवधि में, उन्होंने मिट्टी की निगरानी की कि क्या क्रोमियम अभी भी पानी द्वारा धोया जा सकता है, जो भारी बारिश के दौरान होने वाली प्रक्रिया की नकल करता है। परिणाम स्पष्ट थे। अनुपचारित मिट्टी में, क्रोमियम की मात्रा जो रिस सकती थी, वह पर्यावरण एजेंसियों द्वारा निर्धारित सुरक्षा सीमाओं से बहुत ऊपर थी। हालांकि, केवल दो प्रतिशत नए सम्मिश्र के साथ उपचारित मिट्टी में, रिसने योग्य क्रोमियम की मात्रा नाटकीय रूप से गिर गई, जो सुरक्षा सीमा से काफी नीचे आ गई। सामग्री मिट्टी में जितने लंबे समय तक रही, इसने उतना ही बेहतर काम किया, और तीन महीने की अवधि के दौरान खतरनाक क्रोमियम की सांद्रता कम होती रही।

शोधकर्ताओं ने यह भी देखा कि मिट्टी के भीतर क्रोमियम के साथ वास्तव में क्या हो रहा है। उन्होंने एक ऐसी विधि का उपयोग किया जो क्रोमियम को इस आधार पर अलग-अलग श्रेणियों में विभाजित करती है कि वह कितनी मजबूती से पकड़ा गया है। उपचार से पहले, अधिकांश क्रोमियम एक ढीले, गतिशील रूप में था जो आसानी से भूजल में निकल सकता था। सम्मिश्र के उपचार के बाद, उस क्रोमियम का एक बड़ा हिस्सा 'अवशिष्ट रूप' (residual form) में बदल गया। इसका मतलब है कि क्रोमियम अब केवल सतह पर बैठा नहीं था; यह मिट्टी की ठोस संरचना का हिस्सा बन गया था, जिसे सुरक्षित रूप से लॉक कर दिया गया था, जिससे इसे हिलाना या मुक्त करना अत्यंत कठिन हो गया। यह परिवर्तन सामग्री की न केवल क्रोमियम को पकड़ने बल्कि इसकी रासायनिक अवस्था को जहरीले 'छह' से सुरक्षित 'तीन' में बदलने और फिर उसे स्थायी रूप से वहां रोकने की क्षमता द्वारा संचालित था।

मौलिक बलों को समझने के लिए, टीम ने आणविक स्तर पर क्रोमियम परमाणुओं की सामग्री के साथ परस्पर क्रिया को देखने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। इन सिमुलेशन ने खुलासा किया कि जहरीला क्रोमियम छह शुरू में खनिज की सतह की ओर आकर्षित होता है, लेकिन एक बार पकड़े जाने के बाद, इसे सुरक्षित क्रोमियम तीन में बदल दिया जाता है। सिमुलेशन ने दिखाया कि यह नया क्रोमियम रूप सामग्री के साथ अविश्वसनीय रूप से मजबूत बल के साथ बंध जाता है, जो प्रारंभिक आकर्षण की तुलना में बहुत अधिक है। यह एक गहरा, रासायनिक बंधन बनाता है जिसे तोड़ना लगभग असंभव है। इसके अलावा, कंप्यूटर मॉडल ने दिखाया कि बायोचार घटक क्रोमियम को सामग्री की संरचना में गहराई तक जाने में मदद करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। बायोचार की छिद्रपूर्ण प्रकृति ऐसे मार्ग प्रदान करती है जो क्रोमियम को सबसे स्थिर छिपने की जगहों तक आसानी से यात्रा करने की अनुमति देती है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि उसे सुरक्षित रूप से कैद किया गया है।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह नया सम्मिश्र क्रोमियम-दूषित भूमि की सफाई के लिए एक आशाजनक समाधान प्रदान करता है। एक खनिज की रासायनिक शक्ति को बायोचार के संरचनात्मक लाभों के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी सामग्री बनाई है जो कुशल और टिकाऊ दोनों है। यह जहर को पकड़ने के लिए तेजी से काम करता है, इसे एक सुरक्षित रूप में बदलता है, और फिर इसे लंबे समय तक अपनी जगह पर बनाए रखता है, जो बारिश और मिट्टी की बदलती स्थितियों के प्रभावों का विरोध करता है। यह दृष्टिकोण सुझाव देता है कि एक खतरनाक, गतिशील प्रदूषक को पृथ्वी के एक स्थिर, हानिरहित हिस्से में बदलना संभव है, जो औद्योगिक गतिविधियों से क्षतिग्रस्त हुई मिट्टी की सुरक्षा को बहाल करने की दिशा में एक मार्ग प्रदान करता है।