Bypassing reductive dimerization of bottleneck PFAS intermediates via asymmetric advanced oxidation for absolute defluorination
यह अध्ययन एक असममित उन्नत ऑक्सीकरण प्रक्रिया (एडवांस्ड ऑक्सीडेशन प्रोसेस) का उपयोग करके PFAS क्षरण में रिडक्टिव डाइमेराइजेशन बाधा को दूर करता है, जो स्थानीयकृत कक्षक ध्रुवीकरण (लोकलाइज्ड ऑर्बिटल पोलराइजेशन) के माध्यम से अति-लघु मध्यवर्ती (अल्ट्रा-शॉर्ट इंटरमीडिएट्स) को रोकने के लिए वैक्यूम अल्ट्रावॉयलेट विकिरण का उपयोग करता है, जिससे एक नव-स्थापित रासायनिक सूचक द्वारा परिभाषित सहक्रियात्मक ऑक्सीडेंट-टू-रिडक्टेंट अनुपात के माध्यम से पूर्ण डीफ्लोरिनेशन सक्षम होता है।
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पर- और पॉलीफ्लोरोअल्काइल पदार्थ, जिन्हें अक्सर PFAS कहा जाता है, मानव-निर्मित रसायनों का एक विशाल परिवार है जो अपनी अत्यधिक स्थायित्व के लिए जाने जाते हैं। इनमें कार्बन और फ्लोरीन परमाणुओं के बीच मजबूत बंधन होते हैं, एक ऐसा संयोजन जो इन्हें गर्मी, पानी और तेल के प्रति प्रतिरोधी बनाता है, लेकिन साथ ही पर्यावरण में इन्हें तोड़ना अविश्वसनीय रूप से कठिन भी बना देता है। क्योंकि ये बंधन इतने स्थिर होते हैं, पारंपरिक सफाई के तरीके अक्सर इन रसायनों को पूरी तरह से नष्ट करने में विफल रहते हैं; इसके बजाय, वे केवल समस्या को इधर-उधर स्थानांतरित करते हैं या अणुओं को छोटे, अभी भी जहरीले टुकड़ों में तोड़ देते हैं। वैज्ञानिक लंबे समय से इन जिद्दी बंधनों को अलग करने और इन रसायनों को पानी, कार्बन डाइऑक्साइड और सरल लवणों जैसे हानिरहित घटकों में बदलने का तरीका खोज रहे हैं। एक आशाजनक दृष्टिकोण में उच्च-ऊर्जा प्रकाश और विशेष इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करके अणुओं पर हमला करना शामिल है, लेकिन यह विधि भी एक दीवार से टकरा गई है, जिससे छोटे, जिद्दी अवशेष पीछे रह जाते हैं जो गायब होने से इनकार कर देते हैं।
त्सिंहुआ विश्वविद्यालय और चोंगकिंग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब ठीक से पहचान लिया है कि यह सफाई प्रक्रिया क्यों रुक जाती है और इसे पूरी तरह से पूरा करने का एक तरीका भी खोज लिया है। उनका कार्य इस बात पर केंद्रित है कि क्या होता है जब PFAS अणुओं पर हाइड्रेटेड इलेक्ट्रॉनों द्वारा हमला किया जाता है, जो अनिवार्य रूप से जलयोजित इलेक्ट्रॉन हैं जो पानी के अणुओं से घिरे होते हैं और छोटे, शक्तिशाली हथौड़ों की तरह कार्य करते हैं। ये इलेक्ट्रॉन PFAS अणुओं की लंबी श्रृंखलाओं को सफलतापूर्वक छोटे टुकड़ों में काट सकते हैं। हालांकि, शोधकर्ताओं ने पाया कि जब श्रृंखलाएं बहुत छोटी हो जाती हैं—विशेष रूप से केवल दो कार्बन परमाणुओं तक—तो प्रक्रिया एक मृत अंत पर पहुँच जाती है। इस सूक्ष्म स्तर पर, अणु एक और इलेक्ट्रॉन स्वीकार करने की अपनी क्षमता खो देते हैं, जिससे प्रतिक्रिया रुक जाती है। आगे टूटने के बजाय, ये छोटे टुकड़े बस एक-दूसरे से चिपककर नए, स्थिर जोड़े बना लेते हैं, या वाष्पशील गैसों के रूप में हवा में निकल जाते हैं, जिससे पानी फ्लोरीन से दूषित ही रहता है।
इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने मिश्रण में एक दूसरी शक्ति पेश की: हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स, जो अत्यधिक प्रतिक्रियाशील ऑक्सीजन-आधारित कण हैं जो आक्रामक ऑक्सीडाइज़र के रूप में कार्य करते हैं। वैक्यूम अल्ट्रावॉयलेट प्रकाश द्वारा संचालित एक एकल प्रणाली में इलेक्ट्रॉन-आधारित न्यूनीकरण (reduction) को इस ऑक्सीडेटिव हमले के साथ जोड़कर, उन्होंने एक ऐसा गतिशील वातावरण बनाया जहाँ दोनों बल एक-दूसरे के विरुद्ध होने के बजाय एक साथ काम करते हैं। अध्ययन से पता चलता है कि जब एक दो-कार्बन वाला टुकड़ा किसी दूसरे से चिपकने वाला होता है, तो हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स उसे पहले ही रोक लेते हैं। यह अवरोध इतना कुशल है कि यह लगभग तुरंत होता है, जिससे टुकड़ों को उन जिद्दी जोड़ों को बनाने से रोका जा सके। इसके बजाय, टुकड़े को एक अस्थिर अल्कोहल जैसी संरचना में बदल दिया जाता है जो अपने आप को पुनर्गठित करती है, और अपने फ्लोरीन परमाणुओं को एक-एक करके त्याग देती है जब तक कि वह पूरी तरह से हानिरहित अकार्बनिक लवणों में घुल न जाए।
शोधकर्ताओं ने वास्तविक समय में प्रतिक्रिया को ट्रैक करके और परमाणु स्तर पर ऊर्जा परिवर्तनों का मानचित्रण करने के लिए उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करके इस तंत्र की पुष्टि की। उन्होंने पाया कि छोटे कार्बन खंडों का एक विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक आकार होता है जो उन्हें हाइड्रॉक्सिल रेडिकल्स के लिए अत्यधिक आकर्षक बनाता है, जिससे ऑक्सीकरण बिना किसी ऊर्जा बाधा के संभव हो जाता है। यह खोज बताती है कि केवल इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करने वाले पिछले प्रयास क्यों विफल रहे: ऑक्सीडेटिव साथी के बिना, प्रतिक्रिया के पास दो-कार्बन चरण पर बनने वाली ऊर्जा की दीवार को पार करने का कोई तरीका नहीं है। टीम ने यह भविष्यवाणी करने का एक नया तरीका भी विकसित किया कि इस प्रणाली में विभिन्न प्रकार के PFAS अणु कैसे व्यवहार करेंगे। नब्बे से अधिक विभिन्न यौगिकों की आणविक संरचना का विश्लेषण करके, उन्होंने एक मार्गदर्शिका बनाई है जो इंजीनियरों को बताता है कि प्रत्येक विशिष्ट रसायन के लिए कितने ऑक्सीडाइज़र और रिडक्टेंट की आवश्यकता है ताकि पूर्ण विनाश सुनिश्चित किया जा सके।
यह दृष्टिकोण इस बारे में वैज्ञानिकों के सोचने के तरीके में एक महत्वपूर्ण बदलाव है कि इन प्रदूषकों को कैसे नष्ट किया जाए। पहले, ध्यान अक्सर कार्बन श्रृंखला की लंबाई पर होता था, यह मानते हुए कि लंबी श्रृंखलाओं को तोड़ना कठिन है। नए निष्कर्ष बताते हैं कि वास्तविक चुनौती उन अंतिम, सूक्ष्म चरणों में निहित है जहाँ अणु लगभग समाप्त होने वाला होता है। प्रदूषक की रासायनिक प्रकृति को प्रतिक्रियाशील बलों के सही मिश्रण के साथ संरेखित करके, अणु को पूरे विघटन प्रक्रिया के माध्यम से निर्देशित करना संभव है ताकि वह कहीं अटक न जाए। अध्ययन प्रदर्शित करता है कि पूर्ण विनाश प्राप्त करना संभव है, बशर्ते कि प्रणाली को उन विशिष्ट ऊर्जा बाधाओं को संभालने के लिए ट्यून किया जाए जो प्रतिक्रिया के बिल्कुल अंत में दिखाई देती हैं। यह कार्य उपचार प्रणालियों को डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है जो अंततः हमारे पानी से इन स्थायी प्रदूषकों को समाप्त कर सकें, जो आंशिक सफाई से पूर्ण खनिजीकरण (mineralization) की ओर बढ़ते हैं।
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