BiOBr/MoWO4 p-n heterojunction photoanode for photodegradation of norfloxacin in water

जल शोधन उन पदार्थों के विरुद्ध एक निरंतर संघर्ष है जो टूटने से इनकार करते हैं। जबकि छनन या रासायनिक उपचार जैसी पारंपरिक विधियाँ कई अशुद्धियों के लिए अच्छी तरह काम करती हैं, वे अक्सर उन जिद्दी फार्मास्युटिकल अवशेषों के खिलाफ विफल हो जाती हैं जो दरारों से निकल जाते हैं। ये बचे हुए दवा अवशेष, जैसे कि एंटीबायोटिक्स, नदियों और झीलों में बने रह सकते हैं, जो अंततः दवा-प्रतिरोधी बैक्टीरिया के बढ़ने में योगदान देते हैं और पारिस्थितिकी तंत्र एवं मानव स्वास्थ्य के लिए दीर्घकालिक जोखिम पैदा करते हैं। इसे हल करने के लिए, वैज्ञानिक उन्नत ऑक्सीकरण प्रक्रियाओं (advanced oxidation processes) की ओर मुड़ रहे हैं, जो इन कठिन प्रदूषकों पर हमला करने और उन्हें नष्ट करने में सक्षम अत्यधिक प्रतिक्रियाशील कण बनाने के लिए ऊर्जा का उपयोग करती हैं। एक आशाजनक दृष्टिकोण प्रकाश और बिजली को जोड़ता है। इस विधि में, एक विशेष सामग्री एक सेतु (bridge) के रूप में कार्य करती है, जो सूर्य के प्रकाश को अवशोषित कर आवेशित कण बनाती है जिन्हें फिर एक विद्युत धारा द्वारा निर्देशित किया जाता है। यह दोहरी शक्ति उन धनात्मक और ऋणात्मक आवेशों को अलग करने में मदद करती है जो आमतौर पर उत्पन्न होते हैं, जिससे उन्हें एक-दूसरे को रद्द करने से रोका जा सके और वे कुशलतापूर्वक प्रदूषकों को नष्ट करने के लिए काम कर सकें।

जोहान्सबर्ग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक नई सामग्री विकसित की है जिसे इस प्रक्रिया को काफी अधिक प्रभावी बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। उन्होंने दो अलग-अलग अर्धचालकों (semiconductors): बिस्मथ ऑक्सीब्रोमाइड (bismuth oxybromide) और मोलिब्डेनम टंगस्टेट (molybdenum tungstate) को जोड़कर एक कंपोजिट फोटोएनोड बनाया, जो एक प्रकार का इलेक्ट्रोड है जो प्रकाश के संपर्क में आने पर बिजली उत्पन्न करता है। इन दोनों सामग्रियों को एक हाइड्रोथर्मल प्रक्रिया (hydrothermal process) का उपयोग करके एक साथ संश्लेषित किया गया था, जिसमें उच्च दबाव पर पानी को गर्म करना शामिल है ताकि क्रिस्टल विकसित हो सकें और आपस में जुड़ सकें। लक्ष्य एक विशिष्ट प्रकार के संबंध को बनाना था जिसे p-n हेटरोजंक्शन (p-n heterojunction) कहा जाता है। सरल शब्दों में, एक सामग्री स्वाभाविक रूप से धनात्मक आवेशों की अधिकता रखती है जबकि दूसरी सामग्री ऋणात्मक आवेशों की अधिकता रखती है। जब वे आपस में मिलते हैं, तो वे एक आंतरिक विद्युत क्षेत्र बनाते हैं जो एक 'वन-वे स्ट्रीट' (एकतरफा रास्ते) की तरह कार्य करता है, जो आवेशित कणों को बेतरतीब ढंग से इधर-उधर घूमने के बजाय विशिष्ट दिशाओं में जाने के लिए मजबूर करता है। यह सेटअप फोटोकैटलिसिस (photocatalysis) में एक सामान्य समस्या को हल करने के लिए डिज़ाइन किया गया था जहाँ उपयोगी आवेश काम करने से पहले ही पुनर्संयोजित (recombine) होकर लुप्त हो जाते हैं।

टीम ने इस नई सामग्री का परीक्षण नॉरफ्लोक्सासिन (norfloxacin), जो अपशिष्ट जल में पाया जाने वाला एक सामान्य एंटीबायोटिक है, को तोड़ने के प्रयास के साथ किया। उन्होंने फोटोएनोड को दवा युक्त एक घोल में रखा और दृश्य प्रकाश (visible light) के संपर्क में लाते हुए एक छोटा विद्युत प्रवाह लगाया। परिणामों ने संयुक्त सामग्री के लिए एक स्पष्ट लाभ दिखाया। अनुकूलित परिस्थितियों के तहत, बिस्म�थ ऑक्सीब्रोमाइड-मोलिब्डेनम टंगस्टेट कंपोजिट ने पानी से नॉरफ्लोक्सासिन को 85% तक हटा दिया। यह प्रदर्शन दोनों मूल सामग्रियों में से किसी एक का अकेले उपयोग करने की तुलना में उल्लेखनीय रूप से बेहतर था, जिन्होंने क्रमशः केवल 71% और 56% हटाया था। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि सुधार इस बात से आया कि कैसे दोनों सामग्रियां आवेशों को अलग रखने के लिए मिलकर काम करती हैं, जिससे अधिक आवेश इलेक्ट्रोड की सतह तक पहुँच पाते हैं और प्रदूषक अणुओं पर हमला कर पाते हैं।

यह समझने के लिए कि विनाश वास्तव में कैसे हुआ, वैज्ञानिकों ने रासायनिक स्कैवेंजर्स (chemical scavengers) का उपयोग किया, जो विशिष्ट प्रकार के प्रतिक्रियाशील कणों को बेअसर करने वाले पदार्थ हैं। उन्होंने पाया कि टूटने की प्रक्रिया में सबसे महत्वपूर्ण एजेंट धनात्मक आवेशित होल (holes) और सुपरऑक्साइड रेडिकल्स (superoxide radicals) थे। ये कण प्राथमिक हथियार के रूप में कार्य करते थे, जो एंटीबायोटिक अणुओं से इलेक्ट्रॉन छीनकर उन्हें तोड़ देते थे। अध्ययन ने यह भी मापा कि दवा कितनी पूरी तरह से कार्बन डाइऑक्साइड और पानी जैसे हानिरहित पदार्थों में परिवर्तित हुई, जिसे खनिजीकरण (mineralization) कहा जाता है। एक सिम्युलेटेड जल वातावरण में, सामग्री ने 41% खनिजीकरण दर प्राप्त की। हालांकि, जब दक्षिण अफ्रीका के एक उपचार संयंत्र से एकत्र किए गए वास्तविक अपशिष्ट जल में इसका परीक्षण किया गया, तो इसकी दक्षता बढ़कर 70% हो गई। वास्तविक दुनिया की स्थितियों में यह अप्रत्याशित सुधार बताता है कि अपशिष्ट जल में स्वाभाविक रूप से मौजूद अन्य घटक इस प्रक्रिया में सहायता कर रहे होंगे, शायद काम के लिए आवश्यक प्रतिक्रियाशील कणों को और अधिक उत्पन्न करने में मदद करके।

इस नई सामग्री के स्थायित्व को भी परखा गया। शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए कि क्या यह घिस जाएगी या अपनी प्रभावशीलता खो देगी, एक ही इलेक्ट्रोड का उपयोग करके लगातार पांच बार क्षरण (degradation) की प्रक्रिया चलाई। बार-बार उपयोग के बाद निष्कासन दर में थोड़ी गिरावट आई, लेकिन सामग्री संरचनात्मक रूप से सुदृढ़ रही। प्रयोगों से पहले और बाद में क्रिस्टल संरचना के विश्लेषण ने कोई महत्वपूर्ण परिवर्तन नहीं दिखाया, जो यह दर्शाता है कि प्रक्रिया के दौरान सामग्री टूटी या रासायनिक रूप से क्षय नहीं हुई। इसके अलावा, टीम ने यह भी प्रदर्शित किया कि यह इलेक्ट्रोड केवल एक प्रकार की दवा तक सीमित नहीं था; इसने टेट्रासाइक्लिन (tetracycline) और सिप्रोफ्लोक्सासिन (ciprofloxacin) जैसे अन्य सामान्य एंटीबायोटिक्स को नष्ट करने में भी अच्छा प्रदर्शन किया। दो अलग-अलग अर्धचालकों को एक स्थिर, कुशल प्रणाली में सफलतापूर्वक संयोजित करके, शोधकर्ताओं ने फार्मास्युटिकल-दूषित जल के उपचार के लिए एक व्यवहार्य मार्ग प्रदान किया है, जो एक स्थायी उपकरण पेश करता है जो निरंतर दवा अवशेषों के बढ़ते खतरे से जल आपूर्ति की रक्षा करने में मदद कर सकता है।