Sugarcane bagasse biochar functionalized with ZnO via zinc hydroxychloride thermal conversion for enhanced photocatalytic degradation of paracetamol

जल उपचार संयंत्र हमारी नदियों और झीलों को साफ करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, लेकिन वे अक्सर एक विशिष्ट प्रकार के अदृश्य प्रदूषण से जूझते हैं: हमारे द्वारा बहाए गए दवाओं के सूक्ष्म अंश। जब लोग पैरासिटामोल जैसे दर्द निवारक दवाएं लेते हैं, तो उनके शरीर हर अणु को अवशोषित नहीं कर पाते। शेष हिस्सा सीवरेज सिस्टम से होकर गुजरता है और पर्यावरण में पहुँच जाता है, जहाँ यह मछलियों और अन्य वन्यजीवों को नुकसान पहुँचा सकता है। क्योंकि ये रसायन इतने स्थायी हैं और बहुत कम मात्रा में मौजूद होते हैं, इसलिए मानक सफाई विधियाँ इन्हें प्रभावी ढंग से हटाने में सक्षम नहीं हो पाती हैं। वैज्ञानिकों ने एक शक्तिशाली समाधान की ओर रुख किया है जिसे फोटोकैटलिसिस (photocatalysis) कहा जाता है, यह एक ऐसी प्रक्रिया है जो प्रदूषकों को तोड़ने के लिए रासायनिक प्रतिक्रिया को सक्रिय करने हेतु प्रकाश का उपयोग करती है। इस काम के लिए उपयोग किया जाने वाला एक सामान्य पदार्थ जिंक ऑक्साइड है, जो एक सफेद पाउडर है जो प्रकाश ऊर्जा के लिए स्पंज की तरह कार्य करता है। हालाँकि, इस पदार्थ में एक दोष है: जब यह प्रकाश को अवशोषित करता है, तो कैप्चर की गई ऊर्जा अक्सर कोई भी सफाई कार्य करने से पहले ही स्वयं को रद्द कर देती है, और इन नन्हे कणों को काम पूरा होने के बाद इकट्ठा करना कठिन होता है।

इन समस्याओं को हल करने के लिए, ब्राजील के फेडरल यूनिवर्सिटी ऑफ इटाजुबा के शोधकर्ताओं ने कृषि अपशिष्ट से बनी एक सामग्री के साथ जिंक ऑक्साइड को मिलाने का एक नया तरीका विकसित किया। उन्होंने गन्ने के अवशेष (बगास), जो गन्ने का रस निकालने के बाद बचा हुआ रेशेदार अवशेष होता है, को लिया और उसे बायोचार नामक एक छिद्रपूर्ण, चारकोल जैसे पदार्थ में बदल दिया। इन सामग्रियों को तरल में आपस में मिलाने के बजाय, उन्होंने एक ऊष्मा उपचार प्रक्रिया (heat treatment process) का उपयोग करके बायोचार की सतह पर सीधे जिंक ऑक्साइड को उगाया। इसका परिणाम एक ऐसा मिश्रित पदार्थ था जहाँ प्रकाश को अवशोषित करने वाले जिंक ऑक्साइड के कण कार्बन-युक्त बायोचार पर मजबूती से जड़े हुए थे। इस सेटअप ने बायोचार को एक सहायक संरचना के रूप में कार्य करने की अनुमति दी जिसने जिंक ऑक्साइड के कणों को अलग और स्थिर रखा, साथ ही ऊर्जा के प्रवाह को प्रबंधित करने में भी मदद की ताकि सफाई प्रतिक्रिया अधिक कुशलता से हो सके।

टीम ने प्रकाश स्रोत के तहत पानी से पैरासिटामोल को हटाने के प्रयास में इस नई सामग्री का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि बायोचार-समर्थित सामग्री साधारण जिंक ऑक्साइड पाउडर की तुलना में कहीं अधिक बेहतर थी। अपने प्रयोगों में, नए मिश्रित पदार्थ ने केवल 90 मिनट में पानी से 78 प्रतिशत से अधिक पैरासिटामोल को हटा दिया, जबकि मानक जिंक ऑक्साइड पाउडर ने उसी समय सीमा में इसकी आधी से भी कम मात्रा को हटा पाया। शोधकर्ताओं ने देखा कि बायोचार की छिद्रपूर्ण प्रकृति ने दवा के अणुओं को सक्रिय जिंक ऑक्साइड स्थलों के करीब फँसाने में मदद की, जिससे प्रतिक्रिया को एक शुरुआती बढ़त मिली। इसके अलावा, सामग्री ने बहुत तेज़ क्षरण दर दिखाई, जो अछूते पाउडर की तुलना में दोगुने से अधिक दर से प्रदूषक को तोड़ देती है।

यह समझने के लिए कि यह सफाई वास्तव में कैसे हुई, वैज्ञानिकों ने प्रतिक्रिया प्रक्रिया के विभिन्न हिस्सों को रोकने के लिए विशेष रसायनों का उपयोग किया। उन्होंने पाया कि दवा का टूटना प्रतिक्रिया एजेंटों की एक टीम द्वारा संचालित था। सबसे महत्वपूर्ण सहायक हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स और सुपरऑक्साइड रेडिकल्स थे, जो अत्यधिक ऊर्जावान कण हैं जो दवा के अणुओं पर हमला करते हैं और उन्हें नष्ट कर देते हैं। बायोचार ने इन रेडिकल्स को उत्पन्न करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई क्योंकि इसने प्रकाश द्वारा उत्पन्न विद्युत आवेशों को अलग करने में मदद की, जिससे उन्हें अपनी ऊर्जा बर्बाद करने से रोका जा सका। हालाँकि सामग्री के बार-बार उपयोग के बाद प्रदर्शन में कुछ गिरावट देखी गई, जो संभवतः अवशेषों के कारण छिद्रों के बंद होने के कारण थी, फिर भी यह भविष्य की जल उपचार प्रणालियों के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार के रूप में पर्याप्त स्थिर बनी रही। यह कार्य सुझाव देता है कि कृषि अपशिष्ट को एक उच्च-तकनीकी सफाई उपकरण में बदलना फार्मास्युटिकल प्रदूषण के बढ़ते खतरे से हमारी जल आपूर्ति की रक्षा करने का एक कम लागत वाला, प्रभावी तरीका हो सकता है।