Adsorption and photo-Fenton catalytic degradation of Orange II dye over cobalt ferrite nanoparticles and almond shell biochar
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि बादाम के छिलके के बायोचार (BMNP) पर संश्लेषित कोबाल्ट फेराइट नैनोकणों ने ऑरेंज II डाई के फोटो-फेंटन क्षरण के लिए एक कुशल, पुन: प्रयोज्य और अत्यधिक प्रभावी उत्प्रेरक के रूप में कार्य किया है, जो इष्टतम परिस्थितियों में कई चक्रों में उच्च प्रदर्शन बनाए रखते हुए 97% से अधिक निष्कासन प्राप्त करता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
दुनिया का जल संसाधन औद्योगिक कचरे के निरंतर दबाव में है, और सिंथेटिक रंगों (synthetic dyes) जितने जिद्दी प्रदूषक बहुत कम हैं। वस्त्रों से लेकर खाद्य पदार्थों तक सब कुछ रंगने के लिए उपयोग किए जाने वाले ये यौगिक, फीके पड़ने, धुलने और रासायनिक विघटन का विरोध करने के लिए ही इंजीनियर किए गए हैं। यह स्थायित्व ही इन्हें अपशिष्ट जल उपचार संयंत्रों के लिए एक दुस्वप्न बना देता है, जहाँ मानक जैविक विधियाँ अक्सर इन्हें तोड़ने में विफल रहती हैं। जब ये रंग नदियों में प्रवेश करते हैं, तो वे जलीय जीवन के लिए सूर्य के प्रकाश को रोक देते हैं और यहाँ तक कि जहरीले उपोत्पाद भी छोड़ सकते हैं। इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिक उन्नत ऑक्सीकरण प्रक्रियाओं (advanced oxidation processes) की ओर मुड़े हैं, जो अत्यधिक प्रतिक्रियाशील, अल्पकालिक कण उत्पन्न करती हैं जिन्हें हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स (hydroxyl radicals) कहा जाता है। इन रेडिकल्स को सूक्ष्म, निर्दनुमा सफाईकर्मियों के रूप में सोचें जो जटिल कार्बनिक अणुओं पर हमला करते हैं और उन्हें हानिरहित कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में तोड़ देते हैं। इन रेडिकल्स को बनाने के सबसे प्रभावी तरीकों में से एक फोटो-फेंटन प्रक्रिया (photo-Fenton process) है, जो हाइड्रोजन पेरोक्साइड और आयरन के बीच प्रतिक्रिया को तेज करने के लिए प्रकाश का उपयोग करती है। हालाँकि, इस प्रक्रिया के पारंपरिक संस्करणों को एक महत्वपूर्ण बाधा का सामना करना पड़ता है: आयरन उत्प्रेरक (catalyst) पानी में घुला हुआ होता है, जिससे काम पूरा होने के बाद इसे निकालना कठिन हो जाता है और संभावित रूप से धातु प्रदूषण पीछे छोड़ देता है।
ब्यूनस आयर्स विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक नए प्रकार का उत्प्रेरक बनाकर इन सीमाओं को दूर करने का लक्ष्य रखा जो शक्तिशाली भी हो और जिसे आसानी से प्राप्त भी किया जा सके। उन्होंने एक विशिष्ट सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया जिसे कोबाल्ट फेराइट (cobalt ferrite) कहा जाता है, जो एक चुंबकीय नैनोकण है जो फोटो-फेंटन प्रतिक्रिया को संचालित कर सकता है। इन नैनोकणों को आपस में गुच्छे बनाने और अपनी प्रभावशीलता खोने से रोकने के लिए, टीम ने बादाम के छिलकों से बनी एक छिद्रपूर्ण, कार्बन-समृद्ध आधार (support) पर उन्हें स्थापित किया। यह आधार, जिसे बायोचार (biochar) के रूप में जाना जाता है, ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में जैविक कचरे को गर्म करके बनाया जाता है। वैज्ञानिकों ने अपने सामग्रियों के तीन अलग-अलग संस्करणों का संश्लेषण किया ताकि उनकी तुलना की जा सके: शुद्ध चुंबकीय नैनोकण, नैनोकणों और बायोचार का एक यांत्रिक मिश्रण, और एक कंपोजिट (composite) जहाँ नैनोकणों को बायोचार पर सीधे रासायनिक रूप से उगाया गया था। उनका लक्ष्य यह देखना था कि कौन सा विन्यास सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके पानी से ऑरेंज II (Orange II), जो एक सामान्य नारंगी रंग का एज़ो डाई (azo dye) है, को हटाने में सबसे अधिक कुशलता से सक्षम है।
टीम ने अपनी सामग्रियों की भौतिक संरचना को समझने के लिए उनका लक्षण वर्णन (characterization) शुरू किया। उन्होंने पाया कि शुद्ध चुंबकीय नैनोकण छोटे, गोलाकार क्लस्टर बनाते हैं, जबकि बायोचार स्वयं एक रेशेदार, स्तरित शीट जैसा दिखता है। जब नैनोकणों को सीधे बायोचार पर उगाया गया था, तो वे केवल सतह पर नहीं बैठे थे; वे कार्बन सामग्री के फोल्ड और छिद्रों में समा गए थे। यह एकीकरण अत्यंत महत्वपूर्ण था। जबकि शुद्ध नैनोकण अत्यधिक चुंबकीय थे, कंपोजिट सामग्री ने बहुत कमजोर चुंबकीय संकेत दिखाया क्योंकि भारी, गैर-चुंबकीय बायोचार ने समग्र चुंबकत्व को कम कर दिया था। इसके बावजूद, कंपोजिट इतना चुंबकीय बना रहा कि उसे एक साधारण बाहरी चुंबक के साथ पानी से बाहर निकाला जा सके, जिससे उस समस्या का समाधान हो गया जो घुले हुए उत्प्रेरकों के साथ आती है।
सामग्रियों को तैयार करने के बाद, शोधकर्ताओं ने परीक्षण किया कि वे डाई को कितनी अच्छी तरह हटा सकते हैं। सबसे पहले, उन्होंने देखा कि प्रकाश लगाने से पहले सामग्री कितनी तेजी से डाई अणुओं को सोख (adsorb) सकती है। उन्होंने पाया कि सिस्टम एक ऐसी स्थिति में पहुँच गया, जहाँ कोई और डाई अवशोषित नहीं हो रही थी, लगभग 50 मिनट में। एक बार यह आधार रेखा स्थापित हो जाने के बाद, वे मुख्य घटना की ओर बढ़े: फोटो-फेंटन डिग्रेडेशन (degradation)। प्रयोगशाला लैंप का उपयोग करके सूर्य के प्रकाश का अनुकरण करते हुए, उन्होंने प्रतिक्रिया के लिए सर्वोत्तम स्थिति खोजने हेतु विभिन्न स्थितियों को समायोजित किया। उन्होंने पाया कि यह प्रक्रिया अम्लीय पानी में, विशेष रूप से pH 3 पर सबसे अच्छा काम करती है। उन्होंने यह भी पाया कि बहुत अधिक हाइड्रोजन पेरोक्साइड जोड़ने से वास्तव में प्रतिक्रिया बाधित होती है, क्योंकि अतिरिक्त पेरोक्साइड उन्हीं रेडिकल्स को उपभोग करने लगता है जिनकी आवश्यकता डाई को तोड़ने के लिए होती है। इष्टतम मात्रा 600 पार्ट्स प्रति मिलियन पेरोक्साइड और 75 मिलीग्राम प्रति लीटर उत्प्रेरक थी।
इन आदर्श स्थितियों के तहत, तीनों सामग्रियों के बीच के अंतर स्पष्ट हो गए। नैनोकनों और बायोचार का यांत्रिक मिश्रण ठीक-ठाक प्रदर्शन करता था, लेकिन शुद्ध नैनोकण समय के साथ उच्च दक्षता बनाए रखने में संघर्ष करते थे। सबसे उत्कृष्ट प्रदर्शन करने वाला कंपोजिट मटेरियल था, जहाँ कोबाल्ट फेराइट को बादाम के छिलके के बायोचार पर सीधे संश्लेषित किया गया था। इस सिस्टम ने अन्य संस्करणों की तुलना में काफी कम समय में ऑरेंज II डाई के 97 प्रतिशत से अधिक हिस्से को नष्ट कर दिया। शोधकर्ता इस सफलता का श्रेय बायोचार द्वारा नैनोकणों को दिए जाने वाले अद्वितीय समर्थन को देते हैं। इसकी छिद्रपूर्ण संरचना चुंबकीय कणों को गुच्छे बनाने से रोकती है, जिससे उनकी सक्रिय सतहें खुली रहती हैं। इसके अलावा, बायोचार एक स्पंज की तरह कार्य करता है, जो डाई अणुओं को उत्प्रेरक स्थलों के ठीक बगल में केंद्रित करता है, और यह सामग्री के भीतर विद्युत आवेशों के प्रवाह को प्रबंधित करने में भी मदद करता है, जिससे ऊर्जा की हानि को रोका जा सके।
शायद सबसे व्यावहारिक निष्कर्ष यह था कि यह उच्च प्रदर्शन महंगे कृत्रिम प्रकाश पर निर्भर नहीं था। जब टीम ने प्रयोगशाला लैंप से प्राकृतिक सूर्य के प्रकाश पर स्विच किया, तो कंपोजिट सामग्री ने अपनी दक्षता बनाए रखी, और उसी समय में 95 प्रतिशत से अधिक डाई को हटा दिया। यह सुझाव देता है कि इस प्रक्रिया को कृत्रिम यूवी स्रोतों से जुड़ी भारी ऊर्जा लागत के बिना औद्योगिक उपयोग के लिए बड़े पैमाने पर बढ़ाया जा सकता है। अंत में, टीम ने अपने नए उत्प्रेरक के स्थायчность का परीक्षण किया। प्रत्येक रन के बीच सफाई करने के बाद लगातार पांच बार डाई समाधान का उपचार करने के बाद भी, सामग्री ने अपनी मूल प्रभावशीलता का 94 प्रतिशत से अधिक हिस्सा बरकरार रखा। उच्च स्तर की पुन: प्रयोज्यता, सौर ऊर्जा और कृषि अपशिष्ट के उपयोग के साथ मिलकर, औद्योगिक अपशिष्ट जल को साफ करने के लिए एक सतत मार्ग की ओर इशारा करती है, जो खाद्य अपशिष्ट उत्पाद को पर्यावरणीय सुरक्षा के लिए एक शक्तिशाली उपकरण में बदल देती है।
अपने क्षेत्र के पेपरों की भीड़ में उलझे हुए हैं?
आपके रिसर्च कीवर्ड से मेल खाने वाले सबसे नए और अलग सोच वाले पेपरों का रोज़ाना Digest पाएँ—तकनीकी सारांश के साथ, आपकी भाषा में।