Direct Conversion of Plastic Waste to Graphite at Room Temperature under Air via Solvent-Free Mechanochemistry

प्लास्टिक एक असाधारण स्थायित्व वाली सामग्री है, एक ऐसा गुण जो दैनिक जीवन में हमारे काम तो आता है लेकिन वस्तु के फेंके जाने के बाद यह एक अभिशाप बन जाता है। सामान्य प्लास्टिक को बनाने वाले अणु मजबूत बंधों (बॉन्ड्स) से जुड़े होते हैं जिन्हें प्रकृति के लिए तोड़ना लगभग असंभव है, जिससे कचरे के ऐसे ढेर लग जाते हैं जो सदियों तक बने रहते हैं। दशकों से, वैज्ञानिक इस सामग्री को पुनर्चक्रित (रिसाइकिल) करने के तरीके खोज रहे हैं, अक्सर इसे पिघलाकर या गर्मी और रसायनों के माध्यम से इसे तोड़कर। हालांकि, इन पारंपरिक तरीकों के लिए आमतौर पर अत्यधिक तापमान की आवश्यकता होती है, जो कभी-कभी 3,000 डिग्री सेल्सियस से भी अधिक होता है, और इन्हें काम करने के लिए स्वच्छ, ऑक्सीजन-मुक्त वातावरण की आवश्यकता होती है। वे ऊर्जा-गहन हैं और अक्सर गंदे, मिश्रित या बिना छांटे गए कचरे के मामले में विफल हो जाते हैं। एक हालिया विचार इसमें प्लास्टिक को ग्रेफाइट में बदलना शामिल है, जो कार्बन का एक रूप है जिसका उपयोग पेंसिल की लीड से लेकर उन्नत बैटरी तक सब कुछ बनाने में किया जाता है। ग्रेफाइट मूल्यवान है, लेकिन इसे बनाने के लिए आमतौर पर उन्हीं कठोर, उच्च-तापमान वाली स्थितियों की आवश्यकता होती है जो पुनर्चक्रण को इतना कठिन बनाती हैं। चुनौती प्लास्टिक की जिद्दी, निष्क्रिय संरचना को बिना उसे जलाए या जहरीले विलायक (सॉल्वेंट) का उपयोग किए, इस उपयोगी सामग्री में बदलने का तरीका खोजने की रही है।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब केवल एक ऐसी मशीन का उपयोग करके, जो सामग्रियों को आपस में हिलाती है, इस परिवर्तन को कमरे के तापमान पर प्राप्त करने का तरीका प्रदर्शित किया है। हाल ही में प्रकाशित एक अध्ययन में, उल्सान नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी, दक्षिण कोरिया और सूज़ौ लैबोरेटरी, चीन के वैज्ञानिकों ने दिखाया कि वे विभिन्न प्रकार के प्लास्टिक कचरे को सीधे उच्च गुणवत्ता वाले ग्रेफाइट में बदल सकते हैं। उन्होंने यह पॉलीथीन बैग या स्टायरोफोम जैसे प्लास्टिक के टुकड़ों को छोटे धातु के गोलों और मैग्नीशियम जैसी प्रतिक्रियाशील धातुओं के साथ एक जार में रखकर किया। जब मशीन जार को उच्च गति से हिलाती है, तो गोले अत्यधिक बल के साथ प्लास्टिक से टकराते हैं। यह भौतिक प्रहार प्लास्टिक के भीतर के मजबूत रासायनिक बंधों को तोड़ देता है, जिससे अत्यधिक प्रतिक्रियाशील अंश (फ्रैग्मेंट्स) बनते हैं। प्रतिक्रियाशील धातुएं फिर इन अंशों को पकड़ लेती हैं, जिससे अस्थायी मध्यवर्ती यौगिक बनते हैं जो अंततः ग्रेफाइट की व्यवस्थित, परतदार संरचना में खुद को पुनर्गठित करते हैं। पूरी प्रक्रिया खुली हवा में होती है, जिसमें गर्मी की किसी भी आवश्यकता के बिना, एक घंटे से कम समय में पूरी हो जाती है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि यह विधि न केवल सरल है बल्कि अविश्वसनीय रूप से कुशल भी है। जबकि ग्रेफाइट बनाने के पारंपरिक तरीके भारी मात्रा में ऊर्जा की खपत करते हैं, यह यांत्रिक दृष्टिकोण उस ऊर्जा के दो प्रतिशत से भी कम का उपयोग करता है। परिणामी सामग्री एक खुरदरी, मैली उपोत्पाद नहीं है, बल्कि एक स्वच्छ, चालक (कंडक्टिव) ग्रेफाइट है जिसमें लगभग 92 प्रतिशत कार्बन परमाणु वांछित सपाट, षटकोणीय पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं। टीम ने इस प्रक्रिया का परीक्षण विभिन्न प्रकार की सामग्रियों पर किया, जिसमें स्वच्छ प्रयोगशाला रसायन, व्यावसायिक प्लास्टिक बैग, कॉफी कप और यहाँ तक कि एक लैब से मिला मिश्रित कचरा भी शामिल था जिसमें दस्ताने, कागज और पिपेट थे। उल्लेखनीय रूप से, यह विधि दूषित कचरे पर भी उतनी ही अच्छी तरह से काम करती थी जिसे रेत या खाद्य अवशेषों में भिगोया गया था, जिससे यह सिद्ध हुआ कि प्रसंस्करण से पहले प्लास्टिक को छांटने या धोने की आवश्यकता नहीं है। यह वर्तमान पुनर्चक्रण प्रथाओं से एक महत्वपूर्ण विचलन है, जो अक्सर इसलिए विफल हो जाती हैं क्योंकि कचरा बहुत गंदा या मिश्रित होता है।

जार के भीतर वास्तव में क्या हो रहा था, इसे समझने के लिए वैज्ञानिकों ने प्रयोगों और कंप्यूटर सिमुलेशन के संयोजन का उपयोग किया। उन्होंने देखा कि केवल यांत्रिक बल ही ग्रेफाइट बनाने के लिए पर्याप्त नहीं था; प्रतिक्रियाशील धातु की उपस्थिति अनिवार्य थी। जब उन्होंने जिंक या कॉपर जैसी कम प्रतिक्रियाशील धातुओं का उपयोग किया, तो प्लास्टिक केवल अधिक अव्यवस्थित हो गया लेकिन ग्रेफाइट में नहीं बदला। हालांकि, जब उन्होंने मैग्नीशियम, एल्युमीनियम या कैल्शियम जैसी धातुओं का उपयोग किया, तो प्लास्टिक टूट गया और ग्रेफाइट में पुनर्गठित हो गया। कंप्यूटर मॉडल ने सुझाव दिया कि इस प्रक्रिया में धातु प्लास्टिक के टूटे हुए टुकड़ों के साथ प्रतिक्रिया करके एक कार्बाइड बनाती है, जो कार्बन और धातु का एक यौगिक है, जो फिर हवा में ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करता है ताकि ग्रेफाइट को मुक्त किया जा सके और पीछे एक हानिरहित धातु ऑक्साइड छोड़ सके। यह मार्ग इस प्रक्रिया को कार्बन बंधों को तोड़ने के लिए आवश्यक अत्यधिक गर्मी के बिना संपन्न करने की अनुमति देता है।

उत्पादित ग्रेफाइट की गुणवत्ता की पुष्टि कठोर परीक्षणों के माध्यम से की गई। जब शोधकर्ताओं ने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और प्रकाश-प्रकीर्णन तकनीकों के माध्यम से सामग्री का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि यह अत्यधिक व्यवस्थित है, जिसमें कार्बन परमाणुओं की परतें एक के ऊपर एक करीने से जमी हुई हैं। यह सामग्री बिजली का संचालन लगभग उतना ही अच्छा करती है जितना कि सर्वोत्तम व्यावसायिक रूप से उपलब्ध ग्रेफाइट। इस पुनर्चक्रित ग्रेफाइट के व्यावहारिक मूल्य को सिद्ध करने के लिए, टीम ने इसे जिंक-आयन बैटरी में उपयोग किया, जो एक प्रकार का ऊर्जा भंडारण उपकरण है। बैटरी ने असाधारण प्रदर्शन किया, सैकड़ों चक्रों में अपना चार्ज बनाए रखा, और ग्रेफाइट ने मानक सामग्रियों से बनी बैटरियों की तुलना में बैटरी को तेजी से चार्ज करने और लंबे समय तक चलने में मदद की। शोधकर्ताओं ने यह भी दिखाया कि इस ग्रेफाइट का उपयोग एक कार्यात्मक पेंसिल बनाने के लिए किया जा सकता है, जो यह दर्शाता है कि अपसाइकिल की गई सामग्री बिना किसी और शोधन के वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए तैयार है।

यह कार्य वैश्विक प्लास्टिक संकट से निपटने के लिए एक नया मार्ग सुझाता है। एक जिद्दी अपशिष्ट उत्पाद को सरल यांत्रिक बल का उपयोग करके एक उच्च-मूल्य वाली सामग्री में बदलकर, यह विधि उन विशाल ऊर्जा इनपुट और जटिल रासायनिक सेटअपों को दरकिनार करती है जिन्होंने दशकों से पुनर्चक्रण प्रयासों को सीमित किया है। बिना छांटे गए, दूषित कचरे को सीधे संसाधित करने की क्षमता एक ऐसी चक्रीय अर्थव्यवस्था (सर्कुलर इकोनॉमी) के द्वार खोलती है जहाँ प्लास्टिक को केवल दफनाया या जलाया नहीं जाता है, बल्कि उसे उपयोगी चीज़ में बदला जाता है। हालांकि अध्ययन प्रयोगशाला स्तर पर केंद्रित है, प्रक्रिया की सरलता—जिसमें केवल एक मशीन, कुछ धातु के गोले और सामान्य धातुएं चाहिए—यह सुझाव देती है कि इसे प्रतिदिन उत्पन्न होने वाले प्लास्टिक कचरे की विशाल मात्रा को संभालने के लिए बढ़ाया जा सकता है। अनुसंधान पुष्टि करता है कि सही दृष्टिकोण के साथ, प्लास्टिक के वे गुण जो इसे नष्ट करना कठिन बनाते हैं, उन्हें एक स्वच्छ, अधिक टिकाऊ भविष्य बनाने के लिए उपयोग किया जा सकता है।