Ultrasound-Assisted Synthesis of MXene-Grafted Coconut Husk Activated Carbon for Enhanced Adsorption of Carbamazepine: Batch Study and Optimization

पानी लगातार एक नए प्रकार के प्रदूषण द्वारा परीक्षण किया जा रहा है: आधुनिक चिकित्सा का अदृश्य अवशेष। हर दिन, लोग मिर्गी और मूड संबंधी विकारों जैसी स्थितियों को प्रबंधित करने के लिए गोलियां लेते हैं, और जब ये दवाएं शरीर से बाहर निकलती हैं, तो वे अक्सर जल आपूर्ति में पहुँच जाती हैं। पारंपरिक जल उपचार संयंत्र इन विशिष्ट रासायनिक अवशेषों को पकड़ने के लिए डिज़ाइन नहीं किए गए हैं। ये अणु स्थिर होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे पर्यावरण में आसानी से टूटते नहीं हैं, और वे नदियों और झीलों में जमा हो सकते हैं, जिससे मछलियों और अन्य वन्यजीवों के लिए जोखिम पैदा होता है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस बात की तलाश में रहे हैं कि कैसे इन जिद्दी फार्मास्यूटिकल्स को पानी से बाहर निकाला जाए, जिसके लिए ऐसे पदार्थों का उपयोग किया जाए जो प्रभावी और किफायती दोनों हों। चुनौती एक ऐसे पदार्थ को खोजने में निहित है जो इन सूक्ष्म दवा अणुओं को पकड़ सके और उन्हें मजबूती से थामे रखे, बिना बहुत अधिक लागत या जटिल मशीनरी की आवश्यकता के।

हाल ही के एक अध्ययन में, भारत के जदावपुर विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने दो बहुत ही अलग सामग्रियों को एक एकल, शक्तिशाली उपकरण में मिलाकर इस समस्या का समाधान किया। उन्होंने नारियल के छिलकों (कोकोनट हस्क), जो कि एक सामान्य कृषि अपशिष्ट उत्पाद है, को लिया और उसे सक्रिय कार्बन (एक्टिवेटेड कार्बन) में बदल दिया, जो एक अत्यधिक छिद्रयुक्त सामग्री है और अशुद्धियों को फँसाने की अपनी क्षमता के लिए जानी जाती है। इसमें, उन्होंने MXene जोड़ा, जो टाइटेनियम और कार्बन से बनी एक सिंथेटिक नैनोमटेरियल है जो केवल कुछ परमाणु मोटी होती है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह हाइब्रिड सामग्री कार्बामेज़पाइन (carbamazepine) के लिए एक 'सुपर-स्पंज' के रूप में कार्य कर सकती है, जो एक व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली एंटी-एपिलेप्टिक दवा है और जिसे पानी से निकालना बेहद कठिन माना जाता है। टीम ने केवल दोनों को मिलाया नहीं; बल्कि, उन्होंने ध्वनि तरंगों और ऊष्मा का उपयोग करके MXene की परतों को सीधे नारियल के कार्बन की सतह पर जोड़ने के लिए किया, जिससे एक नया नैनोकम्पोजिट तैयार हुआ जो दवा को पकड़ने के लिए उपलब्ध सतह क्षेत्र को अधिकतम करने के लिए बनाया गया था।

शोधकर्ताओं ने अपनी सामग्री का निर्माण शून्य से शुरू किया। उन्होंने एक स्थानीय दुकान से नारियल के छिलके एकत्र किए, उन्हें साफ किया और उन्हें बारीक पाउडर में पीस दिया। इस पाउडर को ऑक्सीजन के बिना एक विशेष ओवन में गर्म किया गया ताकि इसे चारकोल में बदला जा सके, जिसे फिर रसायनों के साथ उपचारित किया गया ताकि इसके छिद्र खुल सकें, जिससे सक्रिय कार्बन बन सके। अलग से, उन्होंने 'MAX फेज' नामक खनिज से MXene नैनोशीट्स का संश्लेषण किया। अंतिम चरण में दोनों घटकों को एक तरल स्नान में मिलाना और अल्ट्रासोनिक तरंगों का उपयोग करके उन्हें अलग-अलग फैलाना शामिल था, जिसके बाद उन्हें आपस में जोड़ने के लिए एक हीटिंग प्रक्रिया का उपयोग किया गया। परिणाम एक गहरा, छिद्रयुक्त पाउडर था जहाँ अत्यंत पतली MXene परतें खुरदरी, स्पंज जैसी नारियल कार्बन पर ग्राफ्ट की गई थीं।

यह परीक्षण करने के लिए कि यह नई सामग्री कितनी अच्छी तरह काम करती है, टीम ने कार्बामेज़पाइन दवा युक्त पानी के जार में इसे रखा। उन्होंने यह देखने के लिए कि क्या सबसे अच्छा काम करता है, विभिन्न स्थितियों को बदला, जिसमें पाउडर की मात्रा, पानी का तापमान, जार को हिलाने की गति और घोल की अम्लता (acidity) को बदला गया। उन्होंने पाया कि यह सामग्री उल्लेखनीय रूप से प्रभावी थी। सर्वोत्तम स्थितियों में, इस नैनोकम्पोजिट ने पानी से लगभग पूरी दवा निकाल दी। विशेष रूप से, जब उन्होंने प्रक्रिया को अनुकूलित किया, तो उन्होंने 99 प्रतिशत से अधिक की निष्कासन दर प्राप्त की। यह सामग्री दवा की एक बड़ी मात्रा को धारण करने में भी सक्षम थी; एक परीक्षण में, सामग्री के एक ग्राम ने 427 मिलीग्राम से अधिक कार्बामेज़पाइन को पकड़ा। यह क्षमता अकेले नारियल कार्बन या अकेले MXene द्वारा प्राप्त की जा सकने वाली क्षमता से काफी अधिक थी, जो यह सिद्ध करती है कि दोनों को मिलाने से एक ऐसी सामग्री बनी जो अपने हिस्सों के योग से भी श्रेष्ठ है।

अध्ययन ने यह भी देखा कि विभिन्न परिस्थितियों में यह सामग्री कैसे व्यवहार करती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि अधिशोषण (adsorption) की प्रक्रिया, जो दवा के सतह से चिपकने की क्रिया है, उच्च तापमान पर बेहतर काम करती है। यह सुझाव देता है कि यह प्रक्रिया ऊष्मा को अवशोषित करती है, जिससे यह गर्म पानी में अधिक कुशल हो जाती है। उन्होंने यह भी पाया कि पानी को हिलाने की गति मायने रखती थी; हिलाने में बहुत धीमी गति का मतलब था कि दवा के अणु सामग्री तक पर्याप्त तेजी से नहीं पहुँच पा रहे थे, लेकिन हिलाने की गति बहुत तेज़ होने पर वास्तव में दवा को सतह से हटा देती थी, जिससे दक्षता कम हो जाती थी। आदर्श गति मध्यम पाई गई जो पानी को हिंसक रूप से हिलाए बिना उसे गतिशील रखती थी। यह सामग्री pH स्तरों की एक विस्तृत श्रृंखला में अच्छी तरह से काम करती है, जिसका अर्थ है कि इसका उपयोग थोड़े अम्लीय या थोड़े क्षारीय पानी में किया जा सकता है, जो वास्तविक दुनिया के अपशिष्ट जल उपचार के लिए एक व्यावहारिक लाभ है।

यह समझने के लिए कि दवा वास्तव में सामग्री से कैसे चिपकी, टीम ने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और अन्य विश्लेषणात्मक उपकरणों का उपयोग करके सतह का परीक्षण किया। उन्होंने देखा कि सतह खुरदरी थी और इसमें छोटे-छोटे छेद थे, जो दवा के अणुओं को बैठने के लिए पर्याप्त स्थान प्रदान करते थे। रासायनिक विश्लेषण ने दिखाया कि सामग्री विभिन्न कार्यात्मक समूहों (functional groups) से ढकी हुई थी, जैसे कि ऑक्सीजन और हाइड्रॉक्सिल समूह, जो दवा के अणुओं को पकड़ने के लिए छोटे हुक की तरह कार्य करते हैं। दवा के अणु संभवतः विभिन्न बलों के संयोजन के माध्यम से जुड़े थे: वे विद्युत अंतःक्रियाओं के माध्यम से कार्बन संरचना के प्रति आकर्षित हुए, सतह के समूहों के साथ हाइड्रोजन बॉन्ड बनाए, और नारियल कार्बन के सूक्ष्म छिद्रों के भीतर भौतिक रूप से फंस गए। अध्ययन ने इस विचार को खारिज कर दिया कि केवल सरल विद्युत आकर्षण ही एकमात्र कारक था, क्योंकि नोट किया गया कि दवा का अणु पानी में मुख्य रूप से तटस्थ (neutral) होता है, इसलिए भौतिक ट्रैपिंग और रासायनिक बंधन ने प्रमुख भूमिका निभाई।

किसी भी नए जल उपचार सामग्री का एक महत्वपूर्ण हिस्सा यह है कि क्या उसका पुन: उपयोग किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने सामग्री को एसिड और बेस समाधानों के साथ धोकर, फंसे हुए ड्रग को हटाने और फिर से उपयोग करके इसका परीक्षण किया। उन्होंने इस चक्र को सात बार दोहराया। हालांकि सामग्री ने समय के साथ अपनी प्रभावशीलता खो दी, सातवें चक्र तक लगभग 100 प्रतिशत से गिरकर लगभग 51 प्रतिशत रह गई, लेकिन इसने पानी को साफ करने की अपनी क्षमता का एक महत्वपूर्ण हिस्सा बरकरार रखा। यह सुझाव देता है कि सामग्री इतनी टिकाऊ है कि इसका कई बार उपयोग किया जा सकता है, जो इसे आर्थिक रूप से व्यवहार्य बनाने के लिए आवश्यक है। प्रदर्शन में मामूली गिरावट संभवतः रासायनिक धुलाई प्रक्रिया के दौरान सामग्री की संरचना के क्रमिक टूटने के कारण हुई थी, लेकिन तथ्य यह है कि इसने प्रदर्शन बनाए रखा, यह एक उत्साहजनक संकेत है।

शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि यह नया कंपोजिट मटेरियल पानी से फार्मास्यूटिकल्स को हटाने के लिए एक व्यावहारिक और कुशल समाधान प्रदान करता है। नारियल के छिलके जैसे अपशिष्ट उत्पाद को एक हाई-टेक अधिशोषक (adsorbent) में बदलकर और उसे MXene के साथ सुदृढ़ करके, उन्होंने एक ऐसी सामग्री बनाई जो टिकाऊ और अत्यधिक प्रभावी दोनों है। अध्ययन ने प्रदर्शित किया कि यह प्रक्रिया स्वतःस्फूर्त (spontaneous) है, जिसका अर्थ है कि इसे चलाने के लिए अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता नहीं है, और यह मानक स्थितियों में अच्छी तरह से काम करती है। हालांकि यह सामग्री अभी तक सभी जल प्रदूषणों के लिए स्थायी समाधान नहीं है, फिर भी यह हमारे जल स्रोतों को खतरनाक दवा अवशेषों से साफ करने के लिए किफायती, उच्च-क्षमता वाले उपकरण विकसित करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। यह कार्य इस बात पर प्रकाश डालता है कि कैसे सरल, प्राकृतिक सामग्रियों को उन्नत नैनोटेक्नोलॉजी के साथ जोड़कर जटिल पर्यावरणीय समस्याओं को हल किया जा सकता है।