Performance of a Two-Stage Ammonia Removal Technology Based on Advanced Oxidation Processes: Effects of Operating Conditions

अमोनिया की गंध वाली हवा केवल एक अप्रिय परेशानी मात्र नहीं है; यह पर्यावरणीय नुकसान में एक महत्वपूर्ण योगदानकर्ता है। जब इसे मुख्य रूप से कृषि गतिविधियों से वायुमंडल में छोड़ा जाता है, तो यह गैस सूक्ष्म कणों के निर्माण में मदद करती है जो वायु गुणवत्ता को खराब करते हैं, मिट्टी और पानी को अम्लीय बनाते हैं, और पारिस्थितिक तंत्र में पोषक तत्वों की अधिकता का कारण बनती है। जैसे-जैसे पर्यावरणीय नियम सख्त होते जा रहे हैं, चुनौती न केवल इस गैस को अपशिष्ट धाराओं से हटाने की है, बल्कि ऐसा करने की भी है कि नई समस्याएँ पैदा न हों, जैसे कि महंगा अपशिष्ट जल या उच्च ऊर्जा लागत। वैज्ञानिक लंबे समय से समाधान के रूप में उन्नत ऑक्सीकरण प्रक्रियाओं (advanced oxidation processes) की ओर देख रहे हैं। ये वे विधियाँ हैं जो शक्तिशाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग करती हैं, जो अक्सर प्रकाश द्वारा प्रेरित होती हैं, ताकि प्रदूषकों को तोड़ा जा सके। लक्ष्य हानिकारक अमोनिया को नाइट्रोजन के स्थिर, ऑक्सीकृत रूपों में बदलना है जिन्हें संभावित रूप से पकड़ा और पुन: उपयोग किया जा सके, जिससे एक अपशिष्ट उत्पाद को एक संसाधन में बदला जा सके।

ओस्ट्रावा के तकनीकी विश्वविद्यालय की एक टीम और डेकोन्टा (Dekonta) कंपनी ने इस समस्या से निपटने के लिए डिज़ाइन किए गए एक विशिष्ट दो-चरणीय प्रणाली का परीक्षण किया है। उनका कार्य एक ऐसी तकनीक पर केंद्रित है जो पहले अमोनिया युक्त हवा को उपचारित करने के लिए पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश का उपयोग करती है, और फिर कैप्चर किए गए यौगिकों को एक तरल चरण में ले जाती है जहाँ उन्हें हाइड्रोजन पेरोक्साइड और अधिक प्रकाश के साथ उपचारित किया जाता है। शोधकर्ताओं ने यह समझने की कोशिश की कि इस प्रणाली की परिचालन स्थितियाँ अमोनिया को हटाने की इसकी क्षमता और पीछे छूटे विशिष्ट नाइट्रोजन यौगिकों को वास्तव में कैसे प्रभावित करती हैं। वे विशेष रूप से इस बात में रुचि रखते थे कि क्या वे प्रक्रिया को उपयोगी, पुनः प्राप्त होने वाले नाइट्रोजन प्रजातियों को उत्पन्न करने के लिए नियंत्रित कर सकते हैं, बजाय इसके कि यह अनचाहे उप-उत्पादों का मिश्रण बन जाए।

प्रयोग की शुरुआत उस हवा के साथ हुई जिसमें अमोनिया था, जिसे अमोनियम हाइड्रॉक्साइड के घोल में हवा को बुलबुले बनाकर उत्पन्न किया गया था। यह हवा पहले प्रणाली के पहले चरण में प्रवेश करती है, जो कम दबाव वाले मरकरी लैंप से सुसज्जित एक स्टेनलेस स्टील रिएक्टर है जो विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर पराबैंगक्साइड प्रकाश उत्सर्जित करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस चरण में जल वाष्प की उपस्थिति अत्यंत महत्वपूर्ण थी। जब हवा को आर्द्र (humidified) किया गया, तो अमोनिया का निष्कासन काफी बढ़ गया। यह सुझाव देता है कि जल वाष्प उन प्रतिक्रियाशील प्रजातियों को बनाने में मदद करता है जो अमोनिया को तोड़ने के लिए आवश्यक हैं। पराबैंगक्साइड प्रकाश के बिना भी, कुछ अमोनिया केवल पानी में अवशोषित होकर निकल गया, लेकिन प्रकाश ने इस प्रक्रिया को बहुत अधिक प्रभावी बना दिया। इस पहले चरण ने सिद्ध किया कि नियंत्रित नमी, अगले चरण के लिए अमोनिया को तैयार करने में एक प्रमुख कारक है।

इस तकनीक का दूसरा चरण वह है जहाँ वास्तविक रूपांतरण होता है। हवा, जो अब पहले चरण के उत्पादों को ले जा रही है, एक वेट स्क्रबर (wet scrubber) में जाती है और फिर ट्यूबलर रिएक्टरों की एक श्रृंखला के माध्यम through गुजरती है। यहाँ, प्रणाली हाइड्रोजन पेरोक्साइड के घोल का उपयोग करती है, जो एक शक्तिशाली ऑक्सीकरण एजेंट है, जिसे पराबैंगक्साइड प्रकाश के साथ मिलाया जाता है। यह संयोजन हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स (hydroxyl radicals) उत्पन्न करता है, जो अत्यधिक प्रतिक्रियाशील अणु हैं जो पानी में अमोनिया-व्युत्पन्न यौगिकों पर हमला करते हैं। शोधकर्ताओं ने पाया कि हाइड्रोजन पेरोक्साइड को जोड़ने का तरीका बहुत मायने रखता था। इसे अधिक बार जोड़ने से ऑक्सीडेंट की निरंतर आपूर्ति बनी रही, जिससे प्रक्रिया अधिक कुशल हो गई। उन्होंने यह भी देखा कि सिस्टम में प्रवेश करने वाले अमोनिया की मात्रा ने परिणाम बदल दिए। जब अमोनिया का प्रारंभिक भार अधिक था, तो सिस्टम ने अधिक ऑक्सीकृत नाइट्रोजन का उत्पादन किया, लेकिन संतुलन बदल गया। सब कुछ नाइट्रेट (एक स्थिर नाइट्रोजन रूप) में बदलने के बजाय, प्रक्रिया ने अधिक नाइट्राइट छोड़ दिया। यह इंगित करता है कि उच्च अमोनिया स्तरों पर, सिस्टम नाइट्राइट को नाइट्रेट में बदलने के अंतिम चरण को पूरा करने में संघर्ष करता है।

टीम को अपने मापन में एक व्यावहारिक बाधा का भी सामना करना पड़ा। उन्होंने शुरू में एक मानक रासायनिक परीक्षण का उपयोग करके पानी में शेष अमोनिया को सीधे मापने की कोशिश की, लेकिन उन्होंने पाया कि घोल में मौजूद हाइड्रोजन पेरोक्साइड परिणामों में हस्तक्षेप कर रहा था, जिससे डेटा अविश्वसनीय हो गया था। इससे बचने के लिए, उन्होंने पानी में कुल नाइट्रोजन की मात्रा को मापा और नाइट्राइट तथा नाइट्रेट की विशिष्ट मात्रा को ट्रैक किया। इन यौगिकों के संतुलन को देखकर, वे सटीक रूप से निर्धारित कर सके कि कितना अमोनिया परिवर्तित हुआ था। उन्होंने पाया कि केवल पानी को रिएक्टरों में अधिक समय तक छोड़ने से स्वतः ही परिणामों में सुधार नहीं हुआ। यह निष्कर्ष रेखांकित करता है कि तरल की भौतिक गति और ऑक्सीकरण एजेंट की उपलब्धता, प्रकाश के मिश्रण पर चमकने के समय जितने ही महत्वपूर्ण हैं।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि यह दो-चरणीय तकनीक प्रभावी है, लेकिन इसे सर्वोत्तम रूप से कार्य करने के लिए सावधानीपूर्वक ट्यूनिंग की आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि पहले चरण में हवा को आर्द्र करने से प्रदर्शन बढ़ता है, और दूसरे चरण में हाइड्रोजन पेरोक्साइड जोड़ने की रणनीति प्रतिक्रिया की दक्षता को निर्धारित करती है। हालाँकि, सिस्टम की एक सीमा है: जब बहुत अधिक अमोनिया पेश किया जाता है, तो प्रक्रिया नाइट्रेट के बजाय नाइट्राइट के निर्माण की ओर झुक जाती है। लेखक सुझाव देते हैं कि भविष्य के सुधारों को प्रवाह और रासायनिक स्थितियों को अनुकूलित करने पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए ताकि रूपांतरण को पूरी तरह से नाइट्रेट तक पहुँचाया जा सके, जिससे अधिकतम नाइट्रोजन को एक स्थिर, उपयोगी रूप में पुनः प्राप्त किया जा सके। यह कार्य एक ऐसी तकनीक को परिष्कृत करने के लिए एक स्पष्ट रोडमैप प्रदान करता है जो अपशिष्ट से मूल्यवान संसाधनों को पुनः प्राप्त करते हुए हवा को साफ करने में मदद कर सकती है।