Rapid, high-capacity and temperature-robust brilliant green adsorption by nitrogen-doped tondolo-derived activated carbon
K₂CO₃/यूरिया-सहायता प्राप्त सक्रियण के माध्यम से संश्लेषित टोंडोलो छिलकों से प्राप्त नाइट्रोजन-डोप्ड सक्रिय कार्बन (N-TAC), एक युग्मित अधिशोषण-परिवहन तंत्र के माध्यम से ब्रिलियंट ग्रीन डाई के तीव्र, उच्च-क्षमता (1820.4 mg g⁻¹ तक) और तापमान-मजबूत निष्कासन को प्रदर्शित करता है, जो व्यावहारिक अपशिष्ट जल उपचार के लिए इसकी प्रबल क्षमता को उजागर करता है।
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जल उपचार प्रदूषण के विरुद्ध एक निरंतर संघर्ष है, विशेष रूप से उन रंगीन, जिद्दी रंगों के विरुद्ध जिनका उपयोग वस्त्रों और छपाई में किया जाता है और जो प्राकृतिक रूप से नष्ट होने से इनकार कर देते हैं। जब ये रसायन नदियों में प्रवेश करते हैं, तो वे जलीय पौधों तक सूर्य का प्रकाश पहुँचने से रोक देते हैं और वन्यजीवों के लिए विषाक्त हो सकते हैं। ऐसा ही एक रंग, जिसे 'ब्रिलियंट ग्रीन' के रूप में जाना जाता है, एक चमकीला, धनायनित (cationic) अणु है जो पानी में आसानी से घुल जाता है और जैविक क्षय का विरोध करता है, जिससे यह अपशिष्ट जल सुविधाओं के लिए एक निरंतर समस्या बन जाता है। इस पानी को साफ करने के पारंपरिक तरीके, जैसे कि छानना या रंगों को आपस में गुच्छे बनाने के लिए रसायनों का उपयोग करना, अक्सर बहुत महंगे होते हैं या पीछे माध्यमिक कचरा छोड़ देते हैं। इसने वैज्ञानिकों को सरल, सस्ते समाधानों की तलाश के लिए प्रेरित किया है, जिसमें 'अधिशोषण' (adsorption) पर गहरा ध्यान केंद्रित किया गया है। इस प्रक्रिया में, एक ठोस पदार्थ स्पंज की तरह कार्य करता है, जो पानी से प्रदूषक अणुओं को पकड़ता है और उन्हें अपनी सतह पर थामे रखता है। सबसे प्रभावी स्पंज आमतौर पर 'एक्टिवेटेड कार्बन' होते हैं, जो अत्यधिक छिद्रयुक्त पदार्थ हैं जिनमें विशाल आंतरिक सतह क्षेत्र होता है, लेकिन शोधकर्ता लगातार उनकी रासायनिक संरचना को बदलकर उन्हें विशिष्ट प्रदूषकों को और भी तेज़ी से और मजबूती से पकड़ने के योग्य बनाने के लिए उनमें सुधार करने का प्रयास कर रहे हैं।
प्रिटोरिया विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक सामान्य कृषि अपशिष्ट उत्पाद को एक 'सुपर-स्पंज' में बदलकर एक नया, अत्यधिक कुशल अधिशोषक विकसित किया है। उन्होंने टोंडोलो फल के छिलकों से शुरुआत की, जो एक बायोमास सामग्री है जिसे अक्सर फेंक दिया जाता है। इन छिलकों को केवल जलाने के बजाय, वैज्ञानिकों ने उन्हें पोटेशियम कार्बोनेट और यूरिया, जो कि एक नाइट्रोजन-समृद्ध यौगिक है, के साथ मिलाया और मिश्रण को एक नियंत्रित वातावरण में गर्म किया। इस एकल-चरणीय प्रक्रिया ने छिलकों को कार्बनिककृत (carbonized) किया और साथ ही परिणामी कार्बन संरचना में नाइट्रोजन परमाणुओं को समाहित कर दिया। परिणाम स्वरूप एक सामग्री प्राप्त हुई जिसे 'नाइट्रोजन-डोप्ड एक्टिवेटेड कार्बन' कहा गया। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह नाइट्रोजन डोपिंग अत्यंत महत्वपूर्ण थी; इसने कार्बन की विद्युत प्रकृति को बदल दिया, जिससे ऐसे विशिष्ट स्थल (sites) बन गए जो ब्रिलियंट ग्रीन जैसे धनावनात्मक रंग के अणुओं को आकर्षित करने और थामने के लिए विशेष रूप से अच्छे हैं। यह सामग्री अविश्वसनीय रूप से छिद्रयुक्त निकली, जिसका सतह क्षेत्र इतना विशाल था कि यदि इसे सपाट फैला दिया जाए तो एक ग्राम सामग्री एक महत्वपूर्ण फर्श क्षेत्र को कवर कर सकती है, जो रंग के छिपने के लिए लाखों नन्हे कोनों और दरारों का प्रावधान करती है।
जब टीम ने इस नई सामग्री का परीक्षण किया, तो परिणाम आश्चर्यजनक थे। उन्होंने रंग वाले पानी में कार्बन की थोड़ी मात्रा डाली और देखा कि रंग कितनी जल्दी और पूरी तरह से गायब हुआ। केवल 15 मिलीग्राम सामग्री का उपयोग करके 50 मिलीलीटर पानी को उपचारित करने के लिए, वे लगभग 99 प्रतिशत रंग को हटाने में सक्षम रहे। इतनी कम खुराक पर इतनी उच्च दक्षता का अर्थ है कि यह सामग्री न केवल शक्तिशाली है बल्कि किफायती भी है, क्योंकि मानक विकल्पों की तुलना में पानी के बड़े आयतन को साफ करने के लिए इसकी बहुत कम मात्रा की आवश्यकता होती है। यह निष्कासन शुरू में बहुत तेज़ी से हुआ, क्योंकि रंग के अणु सतह के सबसे सुलभ स्थानों की ओर झपट पड़े, जिसके बाद एक धीमी अवस्था आई जहाँ अणु कार्बन कणों के भीतर के सूक्ष्म छिद्रों में गहराई तक चले गए। शोधकर्ताओं ने इस प्रक्रिया को समझने के लिए कई गणितीय मॉडलों का उपयोग किया। उन्होंने निर्धारित किया कि अधिशोषण किसी एक प्रकार की रासायनिक प्रतिक्रिया द्वारा संचालित नहीं था, बल्कि यह पानी के माध्यम से सतह तक रंग के आने, सतह पर चिपकने और फिर आंतरिक संरचना में विसरण (diffusion) की एक जटिल प्रक्रिया का संयोजन था। कार्बन में मौजूद नाइट्रोजन परमाणु ने यहाँ मुख्य भूमिका निभाई, जिससे एक ऐसी सतह बनी जो रंग के साथ बंध बनाने के लिए रासायनिक रूप से उत्सुक थी।
शायद सबसे आश्चर्यजनक और व्यावहारिक निष्कर्ष सामग्री का बदलते तापमान के तहत व्यवहार था। कई रासायनिक प्रक्रियाओं में, प्रतिक्रिया की गति या क्षमता गर्म या ठंडे होने पर काफी बदल जाती है। हालाँकि, शोधकर्ताओं ने तीन अलग-अलग तापमानों पर, जो 25 डिग्री सेल्सियस की ठंडक से लेकर 55 डिग्री सेल्सियस की गर्मी तक थे, अपने पदार्थ का परीक्षण किया, और प्रदर्शन में कोई सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण अंतर नहीं पाया। सामग्री ने गर्म पानी में भी उतना ही अच्छा काम किया जितना कि ठंडे पानी में। यह तापीय मजबूती (thermal robustness) वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए एक बड़ा लाभ है, क्योंकि अपशिष्ट जल का तापमान दिन के समय, मौसम या अपशिष्ट उत्पन्न करने वाली औद्योगिक प्रक्रिया के आधार पर बहुत अधिक उतार-चढ़ाव कर सकता है। एक ऐसी सामग्री जो सटीक तापमान नियंत्रण की आवश्यकता के बिना लगातार काम करती है, उसे बड़े उपचार संयंत्रों में उपयोग के लिए स्केल करना बहुत आसान है।
अध्ययन ने इस नए नाइट्रोजन-डोप्ड पदार्थ की तुलना उसी टोंडोलो छिलकों से बने मानक सक्रिय कार्बन से भी की, जिसमें नाइट्रोजन उपचार नहीं किया गया था। नाइट्रोजन-डोप्ड संस्करण ने मानक संस्करण की तुलना में लगातार बेहतर प्रदर्शन किया, कम सामग्री के साथ अधिक रंग हटाया और अपनी अधिकतम क्षमता तक तेज़ी से पहुँचा। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यह सामग्री एक ग्राम कार्बन प्रति 1,820.4 मिलीग्राम रंग को धारण कर सकती है, जो एक ऐसी क्षमता है जो वैज्ञानिक साहित्य में रिपोर्ट की गई कई अन्य उन्नत कार्बन सामग्रियों की बराबरी करती है या उनसे अधिक है। अपने डेटा का कठोरता से परीक्षण करके, टीम ने पुष्टि की कि उच्च प्रदर्शन कोई संयोग नहीं था, बल्कि सामग्री की अनूठी संरचना और रसायन विज्ञान का एक विश्वसनीय गुण था। उन्होंने ऊष्मा और ऊर्जा परिवर्तनों से जुड़े ऊर्जा परिवर्तनों के बारे में धारणाएं बनाने से भी सावधानीपूर्वक परहेज किया, यह नोट करते हुए कि तापमान संवेदनशीलता की कमी का अर्थ था कि इस संदर्भ में मानक ऊष्मा और ऊर्जा परिवर्तन गणनाएं लागू या आवश्यक नहीं थीं।
अंततः, यह कार्य पानी को साफ करने के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदर्शित करता है। फल के छिलकों को एक उच्च-तकनीकी अधिशोषक में बदलने की एकल-चरणीय प्रक्रिया का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसी सामग्री बनाई है जो तेज़, शक्तिशाली और विश्वसनीय है। नाइट्रोजन डोपिंग एक रासायनिक संवर्धक के रूप में कार्य करती है, जो एक साधारण अपशिष्ट उत्पाद को जल शुद्धिकरण के लिए एक परिष्कृत उपकरण में बदल देती है। तथ्य यह है कि यह तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में समान रूप से काम करती है, यह सुझाव देता है कि इसे महंगी हीटिंग या कूलिंग प्रणालियों की आवश्यकता के बिना विविध वातावरणों में तैनात किया जा सकता है। यह दृष्टिकोण एक स्थायी समाधान प्रदान करता है जो अपशिष्ट प्रबंधन और जल प्रदूषण दोनों का समाधान करता है, एक त्याग दिए गए संसाधन को जल की गुणवत्ता की रक्षा के लिए एक महत्वपूर्ण उपकरण में बदल देता है।
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