Sustainable Regeneration of High-Purity Quartz Sand from Silica Waste via Purification System and Sol-gel Method

आधुनिक दुनिया में, वे उपकरण जो हमारे सौर पैनलों को शक्ति प्रदान करते हैं और हमारे कंप्यूटर चलाते हैं, एक ही, साधारण दिखने वाली सामग्री पर निर्भर हैं: सिलिकॉन। इन तकनीकों के लिए आवश्यक अति-शुद्ध सिलिकॉन वेफर्स बनाने के लिए, निर्माताओं को इस सामग्री को विशाल पात्रों में पिघलाना पड़ता है जिन्हें क्रूसिबल (crucibles) कहा जाता है। ये क्रूसिबल उच्च-शुद्धता वाले क्वार्ट्ज रेत से बने होते हैं, जो सिलिकॉन डाइऑक्साइड का एक घना पाउडर है जिसे लगभग सभी अशुद्धियों से मुक्त होना चाहिए। यदि लोहे या एल्युमीनियम जैसे अन्य तत्वों की बहुत कम मात्रा भी मिश्रण में शामिल हो जाती है, तो वे सिलिकॉन क्रिस्टल को खराब कर सकती हैं, जिससे महंगे सौर सेल या कंप्यूटर चिप विफल हो सकते हैं। दशकों से, उद्योग इस रेत को प्राप्त करने के दो तरीकों पर निर्भर रहा है: दुर्लभ, प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले क्वार्ट्ज शिराओं (veins) का खनन करना और उन्हें परिष्कृत करना, या इसे महंगे, अत्यंत-स्वच्छ रसायनों का उपयोग करके शून्य से संश्लेषित करना। दोनों तरीके एक दीवार से टकरा रहे हैं। सबसे अच्छे प्राकृतिक खदानें सूख रही हैं, और शून्य से कृत्रिम रेत बनाने के लिए आवश्यक रसायन ऊर्जा-गहन और उत्पादन में महंगे हैं। जैसे-जैसे नवीकरणीय ऊर्जा और डिजिटल तकनीक की मांग बढ़ रही है, इस सामग्री की आवश्यकता और इसकी आपूर्ति करने की क्षमता के बीच का अंतर चौड़ा होता जा रहा है, जिससे पूरी हरित अर्थव्यवस्था के लिए एक बाधा उत्पन्न हो रही है।

झेजियांग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक अलग रास्ता प्रस्तावित किया है, जो एक अपशिष्ट समस्या को समाधान में बदल देता है। पृथ्वी में और गहरा खोदने या अधिक महंगे रसायन खरीदने के बजाय, उन्होंने उन्हीं उद्योगों द्वारा उत्पन्न सिलिका कचरे के पहाड़ों की ओर देखा जिन्हें इस रेत की आवश्यकता है। हर साल, फोटोवोल्टिक और सेमीकंडक्टर क्षेत्र भारी मात्रा में ठोस कचरा पैदा करते हैं, जिसका अधिकांश हिस्सा पहले से ही 95 प्रतिशत से अधिक शुद्ध सिलिकॉन डाइऑक्साइड है लेकिन इसे इसलिए छोड़ दिया जाता है क्योंकि यह अन्य सामग्रियों के साथ मिश्रित है या इसका आकार गलत है। शोधकर्ताओं ने एक सरल प्रश्न पूछा: क्या इस कम-मूल्य वाले कचरे को दुनिया की सबसे उन्नत तकनीक के लिए आवश्यक उच्च-श्रेणी की रेत में बदला जा सकता है? उनका उत्तर एक जोरदार 'हाँ' था, जिसे एक ऐसी प्रक्रिया के माध्यम से प्राप्त किया गया जिसमें कचरे को घोलना, उसे साफ करना और फिर से एक नए रूप में बनाना शामिल है।

यह यात्रा तीन प्रकार के कचरा सामग्रियों के साथ शुरू होती है जो आमतौर पर उद्योग में पाई जाती हैं: सिलिका फ्यूम (silica fume), जो सिलिकॉन उत्पादन के दौरान बना एक महीन पाउडर है; प्राकृतिक क्वार्ट्ज रेत; और तैयार क्वार्ट्ज उत्पादों के टुकड़े। टीम ने पहले इन सामग्रियों को मानक तरीकों का उपयोग करके साफ करने की कोशिश की, उन्हें पीसकर और एसिड से धोकर। हालांकि इससे शुद्धता में सुधार हुआ, लेकिन यह एक कठिन सीमा पर आकर रुक गया। एसिड सतह की गंदगी को तो धो सकता था, लेकिन यह रेत की क्रिस्टल संरचना के भीतर बंद या दानों के भीतर तरल की छोटी जेबों में फंसी अशुद्धियों तक नहीं पहुँच सका। वे चाहे कितनी भी कोशिश करें, सामग्री सेमीकंडक्टर निर्माण के लिए आवश्यक अत्यधिक शुद्धता तक नहीं पहुँच सकी। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि इस बाधा को तोड़ने के लिए, उन्हें सामग्री की अवस्था को पूरी तरह से बदलना होगा। उन्हें ठोस कचरे को एक तरल में बदलना होगा, जहाँ प्रत्येक अशुद्धि को अलग किया जा सके, और फिर उसे वापस ठोस में बदलना होगा।

इसे प्राप्त करने के लिए, टीम ने एक शक्तिशाली रासायनिक तरकीब का उपयोग किया। उन्होंने अपशिष्ट सामग्रियों को सोडियम हाइड्रॉक्साइड (एक सामान्य शक्तिशाली क्षार) के घोल के साथ एक सीलबंद बर्तन में रखा और इसे 200 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया। इन परिस्थितियों में, ठोस सिलिका घुल गया, जिससे इसकी कठोर संरचना टूट गई और यह एक तरल मिश्रण में बदल गया। हालाँकि, सभी कचरे ने एक जैसा व्यवहार नहीं किया। महीन सिलिका फ्यूम पूरी तरह से घुल गया, जबकि प्राकृतिक क्वार्ट्ज रेत केवल आंशिक रूप से घुली, जिससे एक गाढ़ा जेल बन गया। तैयार क्वार्ट्ज उत्पादों के टुकड़ों ने अपनी घनी, सघन संरचना के कारण रासायनिक हमले का विरोध किया और शायद ही कोई प्रतिक्रिया की। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि सिलिका फ्यूम इस प्रक्रिया के लिए सबसे अच्छा उम्मीदवार था क्योंकि यह आसानी से और पूरी तरह से घुल गया, जिससे इसकी सारी फंसी हुई अशुद्धियाँ तरल घोल में निकल आईं।

एक बार जब सिलिका फ्यूम घुल गया, तो तरल में वह सिलिकॉन था जो उन्हें चाहिए था, लेकिन यह सोडियम, लोहा और एल्युमीनियम जैसे अवांछित धातु आयनों से भी भरा हुआ था। तरल को शुद्ध करने के लिए, टीम ने आयन-विनिमय रेजिन (ion-exchange resin) से बने विशेष फिल्टरों के माध्यम से इसे गुजारा। ये रेजिन अत्यधिक चयनात्मक स्पंज की तरह कार्य करते हैं जो विशिष्ट धातु आयनों को पकड़ते हैं और उन्हें कसकर थामे रखते हैं जबकि सिलिकॉन को गुजरने देते हैं। यह प्रक्रिया नाजुक थी; यदि तरल बहुत अधिक अम्लीय या बहुत अधिक सांद्र हो गया, तो सिलिकॉन पूरी तरह से साफ होने से पहले ही आपस में जुड़ना और जेल में बदलना शुरू कर देगा, जिससे अशुद्धियाँ इसके अंदर फंस जाएंगी। इसे रोकने के लिए, शोधकर्ताओं ने तापमान को नियंत्रित करते हुए इसे ठंडा रखा और फिल्टरों के माध्यम से बहते समय तरल की अम्लता को समायोजित किया। उन्होंने विभिन्न प्रकार के रेजिन के क्रम का उपयोग किया, जिनमें से प्रत्येक को विशिष्ट प्रकार के प्रदूषकों को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जिससे समाधान को उस शुद्धता के स्तर तक उतारा गया जो अपशिष्ट-व्युत्पन्न सामग्रियों में पहले कभी नहीं देखा गया था।

इस कठोर सफाई का परिणाम इतना शुद्ध तरल सिलिका समाधान था जिसमें अशुद्धियाँ एक भाग प्रति दस लाख (one part per million) से भी कम स्तर पर थीं। वास्तव में, समाधान ने सात 'नाइन्स' (seven nines) की शुद्धता स्तर प्राप्त की, जिसका अर्थ है कि यह 99.99999 प्रतिशत शुद्ध सिलिकॉन डाइऑक्साइड था। इस तरल को फिर सिलिकॉन कणों को एक ठोस नेटवर्क में जुड़ने के लिए प्रोत्साहित करने हेतु हाइड्रोफ्लोरिक एसिड की एक सूक्ष्म मात्रा के साथ उपचारित किया गया, जिससे एक जेल बन गया। इस जेल को सुखाया गया और फिर 1,000 डिग्री सेल्सियस पर गर्म किया गया। जैसे-जैसे पानी वाष्पित हुआ और सामग्री पकी, जेल सिकुड़ गया और एक घने, ठोस पाउडर में विलीन हो गया। अंतिम उत्पाद एक उच्च-शुद्धता वाला क्वार्ट्ज रेत था जो बिल्कुल सबसे अच्छे प्राकृतिक रेत की तरह दिखता और व्यवहार करता था, लेकिन बिना किसी दोष के। सूक्ष्मदर्शी के नीचे, नया रेत चिकने, कसकर भरे हुए दानों के रूप में दिखाई दिया जिसमें कोई दरार या बुलबुले नहीं थे, और रासायनिक परीक्षणों ने पुष्टि की कि कुल धात्विक अशुद्धियों की मात्रा नगण्य थी।

यह कार्य प्रदर्शित करता है कि भविष्य को सुरक्षित करने के लिए उद्योग को केवल घटते प्राकृतिक संसाधनों या महंगे रासायनिक अग्रदूतों (precursors) पर निर्भर रहने की आवश्यकता नहीं है। फोटोवोल्टिक और सेमीकंडक्टर उद्योगों द्वारा उत्पन्न कचरे को लेकर, उसे घोलने, साफ करने और पुनर्गठित करने के एक नियंत्रित चक्र के माध्यम से, शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि कचरे से रणनीतिक सामग्री बनाने का एक व्यवहार्य मार्ग मौजूद है। यह प्रक्रिया प्राकृतिक अयस्क की सीमाओं को दरकिनार करती है, जिसमें अक्सर ऐसी अशुद्धियाँ होती हैं जिन्हें हटाया नहीं जा सकता, और वर्जिन रसायनों के साथ शुरू करने की उच्च लागतों से बचती है। यह एक चक्र को पूरा करने का तरीका प्रदान करता है, जो उच्च-तकनीकी विनिर्माण के उप-उत्पादों को अगली पीढ़ी की तकनीक के लिए आवश्यक कच्चे माल में बदल देता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह विधि न केवल प्रभावी है बल्कि अनुकूलनीय भी है, जो यह सुझाव देती है कि अन्य प्रकार के सिलिका कचरे के साथ भी इसी तरह का उपचार किया जा सकता है। एक ऐसी दुनिया में जहाँ स्वच्छ ऊर्जा और उन्नत कंप्यूटिंग की मांग कच्चे माल की आपूर्ति से तेजी से बढ़ रही है, यह दृष्टिकोण एक महत्वपूर्ण बाधा के लिए एक लचीला, टिकाऊ और चक्रीय समाधान प्रदान करता है।