Degradation of Petroleum Hydrocarbons in Wastewater by MnFe2O4@BC Catalysts Activated with Persulfate: Investigation into Radical and Non-radical Transformation Pathways and Mechanisms

तेल से दूषित पानी एक जिद्दी समस्या है। जब पेट्रोलियम मिट्टी या भूजल में रिसता है, तो यह हाइड्रोकार्बन का एक जटिल मिश्रण पीछे छोड़ देता है जो अपने आप आसानी से टूटता नहीं है। ये प्रदूषक वर्षों तक बने रह सकते हैं, जिससे पारिस्थितिकी तंत्र और मानव स्वास्थ्य को खतरा होता है। उन्हें साफ करने के पारंपरिक तरीकों में अक्सर शक्तिशाली ऑक्सीडेंट्स को इंजेक्ट करने पर भरोसा किया जाता है—ऐसे रसायन जो आक्रामक क्लीनर की तरह काम करते हैं ताकि तेल के अणुओं को तोड़ सकें। ऐसा ही एक ऑक्सीडेंट पर्सल्फेट है, जो एक ऐसा पदार्थ है जिसमें बहुत उम्मीदें हैं क्योंकि यह अत्यधिक प्रतिक्रियाशील प्रजातियां उत्पन्न कर सकता है जो कठिन कार्बनिक यौगिकों को नष्ट करने में सक्षम होती हैं। हालांकि, पर्सल्फेट स्वाभाविक रूप से सुस्त है; इसे प्रभावी बनाने के लिए इसे एक उत्प्रेरक (कैटलिस्ट), या एक सहायक की आवश्यकता होती है जो इसे सक्रिय कर सके। वर्षों से, वैज्ञानिक सही सहायक की तलाश कर रहे हैं, और अक्सर लोहे और मैंगनीज जैसे धातुओं की ओर मुड़ते हैं, जो प्रचुर मात्रा में हैं और आम तौर पर सुरक्षित हैं। चुनौती इन धातुओं का कुशलतापूर्वक उपयोग करने का तरीका खोजने की रही है, बिना उन्हें आपस में चिपकाए या बहाए, और साथ ही यह सुनिश्चित करना कि यह प्रक्रिया वास्तविक दुनिया के अपशिष्ट जल को साफ करने के लिए पर्याप्त प्रभावी हो।

हाल ही में एक अध्ययन में, चोंगकिंग यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं ने इस चुनौती से निपटने के लिए एक नए प्रकार के सहायक का निर्माण किया। उन्होंने लोहे और मैंगनीज को एक एकल, स्थिर संरचना में संयोजित किया और इसे जले हुए पौधों के कचरे से बनी एक छिद्रपूर्ण सामग्री, जिसे बायोचार कहा जाता है, पर स्थापित किया। बायोचार को गेहूं के भूसे या मक्के के डंठल से बने स्पंज की तरह समझें, जो धातु उत्प्रेरक के बैठने के लिए एक विशाल सतह क्षेत्र प्रदान करता है, जिससे उन्हें आपस में जुड़ने से रोका जा सके। टीम ने इन सामग्रियों को एक जेल जैसी प्रक्रिया का उपयोग करके मिलाया और फिर उन्हें एक ठोस, चुंबकीय पाउडर बनाने के लिए पकाया। उनका लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह नई सामग्री मौजूदा तरीकों की तुलना में पानी में कुल पेट्रोलियम हाइड्रोकार्बन को तोड़ने के लिए पर्सल्फेट को अधिक प्रभावी ढंग से सक्रिय कर सकती है।

परिणाम उत्साहजनक थे। जब शोधकर्ताओं ने नियंत्रित सेटिंग में अपनी नई सामग्री का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि लोहे और मैंगनीज का विशिष्ट मिश्रण बहुत मायने रखता है। उन्होंने पाया कि चार भाग लोहा और एक भाग मैंगनीज का अनुपात सबसे अच्छा काम करता है। उन्होंने यह भी पाया कि पांच ग्राम बायोचार सपोर्ट मटेरियल और पर्सल्फेट की एक विशिष्ट मात्रा का उपयोग करना प्रतिक्रिया के लिए आदर्श वातावरण बनाता है। इन परिस्थितियों में, सिस्टम ने 24 घंटों के भीतर पानी से तेल के प्रदूषकों को 84 प्रतिशत से अधिक सफलतापूर्वक हटा दिया। मक्के के डंठल से बनी वर्ज़न ने थोड़ा बेहतर प्रदर्शन किया, जिसने 88 प्रतिशत से अधिक की हटाने की दर हासिल की। दक्षता का यह स्तर बताता है कि दोनों धातुओं का संयोजन और वनस्पति-आधारित सपोर्ट एक शक्तिशाली तालमेल (सिनर्जी) बनाता है, जहाँ संपूर्ण अपने हिस्सों के योग से भी अधिक प्रभावी है।

यह सफाई कैसे हुई, इसे समझने के लिए टीम ने होने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं का बारीकी से अध्ययन किया। उन्होंने पाया कि यह प्रक्रिया दो अलग-अलग प्रकार के मार्गों द्वारा संचालित थी जो मिलकर काम कर रहे थे। पहले मार्ग में मुक्त कण (फ्री रेडिकल्स) शामिल थे, जो अत्यधिक अस्थिर परमाणु या अणु होते हैं जो तेल पर आक्रामक रूप से हमला करते हैं और उसे तोड़ देते हैं। अध्ययन ने पहचाना कि सल्फेट रेडिकल्स और हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स इस समूह के मुख्य कार्यकर्ता थे। दूसरा मार्ग अधिक सूक्ष्म था और इसमें मुक्त कणों पर निर्भरता नहीं थी। इसके बजाय, इसमें उत्तेजित ऑक्सीजन का एक रूप शामिल था जिसे सिंगलेट ऑक्सीजन कहा जाता है, जो एक अलग प्रकार के ऑक्सीडाइज़र के रूप में कार्य करता है। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि दोनों मार्ग सक्रिय थे, जिसमें मुक्त कण भारी काम कर रहे थे जबकि गैर-रेडिकल प्रजातियां अतिरिक्त सहायता प्रदान कर रही थीं। यह दोहरा दृष्टिकोण यह समझाने में मदद करता है कि यह प्रणाली जटिल तेल अणुओं को तोड़ने में इतनी प्रभावी क्यों थी।

अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि प्रक्रिया को जारी रखने के लिए धातुएं स्वयं प्रक्रिया के दौरान कैसे बदलीं। उत्प्रेरक की सतह पर मौजूद लोहे और मैंगनीज के परमाणु लगातार इलेक्ट्रॉन का आदान-प्रदान कर रहे थे, जिससे वे चार्ज की विभिन्न अवस्थाओं के बीच बदल रहे थे। इस चक्रण ने उन्हें पर्सल्फेट को लगातार सक्रिय करने, यानी प्रतिक्रियाशील प्रजातियों की एक निरंतर धारा उत्पन्न करने की अनुमति दी। बायोचार ने यहाँ भी महत्वपूर्ण भूमिका निभाई, जो न केवल एक भौतिक आधार के रूप में बल्कि इलेक्ट्रॉनों के स्रोत के रूप में भी कार्य करता है जो धातुओं को सक्रिय रखने में मदद करता है। इसके अलावा, शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि उत्प्रेक स्थिर था। पांच राउंड के उपयोग के बाद भी, सामग्री ने अपनी अधिकांश प्रभावशीलता बनाए रखी, और पानी में धातु के रिसाव की मात्रा बहुत कम रही, जिससे पर्यावरण के लिए बहुत कम जोखिम बना।

अंत में, टीम ने तेल के अणुओं के विनाश के सफर का पता लगाया। उन्होंने पाया कि प्रतिक्रियाशील प्रजातियों ने तेल पर हमला किया, इसकी वलय जैसी (रिंग-लाइक) संरचनाओं को तोड़ा और उन्हें छोटे, सरल एसिड में बदल दिया। इन छोटे अणुओं को फिर से और अधिक तोड़ा गया जब तक कि वे पूरी तरह से खनिजकृत (मिनरलाइज्ड) नहीं हो गए, जिससे वे हानिरहित कार्बन डाइऑक्साइड और पानी में बदल गए। क्षरण के इस विस्तृत मार्ग का अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि यह प्रक्रिया केवल प्रदूषण को छिपाती नहीं है बल्कि वास्तव में इसे नष्ट करती है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि यह आयरन-मैंगनीज बायोचार उत्प्रेरक तेल-दूषित पानी के उपचार के लिए एक आशाजनक, हरित और कुशल तरीका प्रदान करता है, जो पर्यावरण इंजीनियरों को प्रदूषण के सबसे स्थायी रूपों से निपटने के लिए एक नया उपकरण देता है।