A Mini Review of Direct Aqueous Carbonation of Calcium Carbide Residue and Ferrous Slag for Carbon Mineralization and Cementitious Applications

दुनिया बहुत बड़ी मात्रा में औद्योगिक कचरा पैदा करती है जो अक्सर लैंडफिल में जमा हो जाता है, जिससे जगह घेरता है और कभी-कभी मिट्टी और पानी में हानिकारक रसायन रिसते हैं। साथ ही, जीवाश्म ईंधन को जलाने और सीमेंट के उत्पादन से वायुमंडल में कार्बन डाइऑक्साइड की भारी मात्रा निकलती है, जो जलवायु परिवर्तन को बढ़ावा देती है। वैज्ञानिकों ने लंबे समय से इन दो समस्याओं को एक समाधान में बदलने के तरीके खोजे हैं: कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ना और उसे ठोस पदार्थों के भीतर बंद कर देना। एक आशाजनक विधि में 'मिनरलाइजेशन' (खनिजीकरण) नामक प्रक्रिया शामिल है, जहाँ कार्बन डाइऑक्साइड गैस को औद्योगिक कचरे वाले जलीय मिश्रण के माध्यम से प्रवाहित किया जाता है। गैस कचरे में मौजूद खनिजों के साथ प्रतिक्रिया करती है और स्थिर, ठोस चट्टानों का निर्माण करती है, जिससे कार्बन प्रभावी रूप से हमेशा के लिए कैद हो जाता है। यह दृष्टिकोण न केवल ग्रीनहाउस गैसों को कम करता है बल्कि बेकार कचरे को निर्माण के लिए संभावित उपयोगी चीज़ में भी बदल देता है।

इस क्षेत्र में दो विशिष्ट प्रकार के औद्योगिक कचरे ने विशेष ध्यान आकर्षित किया है। पहला है कैल्शियम कार्बाइड अवशेष (कैल्शियम कार्बाइड रेजिड्यू), जो एसिटिलीन गैस बनाने का एक उपोत्पाद है, और इसमें एक ऐसा यौगिक प्रचुर मात्रा में होता है जो कार्बन डाइऑक्साइड के साथ आसानी से प्रतिक्रिया करता है। दूसरा है स्लैग (slag), जो स्टील और लोहा बनाने के बाद बचा हुआ एक कांच जैसा पदार्थ है। हालांकि दोनों सामग्रियां आशाजनक हैं, लेकिन अकेले उपचारित किए जाने पर प्रत्येक में एक बड़ी खामी है। कैल्शियम युक्त कचरा इतनी तेज़ी से प्रतिक्रिया करता है कि वह स्वयं को ठोस कार्बोनेट की एक कठोर परत से ढंक लेता है, जो आगे की प्रतिक्रिया को रोक देता है और सामग्री के अधिकांश हिस्से को बिना परिवर्तित हुए छोड़ देता है। दूसरी ओर, स्टील स्लैग इतनी धीमी गति से प्रतिक्रिया करता है कि उसमें बहुत कम बदलाव आता है। शोधकर्ता फोन एलेन ज़ूम द्वारा की गई एक नई समीक्षा इस बात की जांच करती है कि इन दोनों कचरे को मिलाने से दोनों समस्याओं को कैसे हल किया जा सकता है, जिससे हवा को साफ करने और नए निर्माण सामग्री बनाने के एक व्यवहार्य मार्ग में रासायनिक गतिरोध को बदला जा सके।

यह समीक्षा हाल के अध्ययनों का संश्लेषण करती है ताकि यह समझाया जा सके कि जब इन दोनों कचरे को कार्बन डाइऑक्साइड पेश करने से पहले पानी में मिलाया जाता है तो क्या होता है। जब कैल्शियम कार्बाइड अवशेष को अकेले उपचारित किया जाता है, तो प्रतिक्रिया तेजी से शुरू होती है लेकिन अचानक रुक जाती है। कार्बन डाइऑक्साइड पानी में घुल जाती है और कचरे के कणों की सतह पर हमला करती है, जिससे ठोस कैल्शियम कार्बोनेट का एक कवच बन जाता है। यह कवच एक सुरक्षात्मक कवच की तरह कार्य करता है, जो कार्बन डाइऑक्साइड को अंदर मौजूद ताज़ा सामग्री तक पहुँचने से रोकता है और प्रतिक्रिया को पूरा होने से पहले ही रोक देता है। इसके विपरीत, स्टील स्लैग एक जटिल, कांच जैसी संरचना से बना होता है जो अपने खनिजों को मजबूती से थामे रखता है, जिससे कार्बन डाइऑक्साइड के लिए उन्हें बाहर निकालना और नई चट्टानें बनाना बहुत कठिन हो जाता है। परिणाम यह है कि अकेले किसी भी सामग्री का उपचार करना अक्षम है, जिससे संभावित कार्बन भंडारण का बहुत सा हिस्सा अप्रयुक्त रह जाता है।

हालाँकि, जब शोधकर्ता कैल्शियम कार्बाइड अवशेष को स्टील या आयरन स्लैग के साथ मिलाते हैं, तो पूरी प्रक्रिया बदल जाती है। समीक्षा इस बात पर प्रकाश डालती है कि दोनों सामग्रियां इस तरह मिलकर काम करती हैं जिससे अवरोध की समस्या दूर हो जाती है। कैल्शियम युक्त कचरा तेज़ी से घुलता है, जिससे पानी में कैल्शियम आयन मुक्त होते हैं। इसके बजाय कि ये आयन तुरंत कार्बन डाइऑक्साइड से टकराकर कैल्शियम कचरे पर ही एक परत बना लें, वे पानी के माध्यम से यात्रा करते हैं और स्लैग के कणों की सतह पर पहुँच जाते हैं। वहाँ, वे ठोस कार्बोनेट चट्टानें बनाने के लिए प्रतिक्रिया करते हैं। स्थान का यह परिवर्तन अत्यंत महत्वपूर्ण है। ठोस चट्टान के निर्माण को कैल्शियम कचरे से दूर ले जाकर, स्लैग एक सुरक्षित लैंडिंग ज़ोन के रूप में कार्य करता है, जिससे कैल्शियम कचरे के ढंकने और बाधित होने की संभावना टल जाती है। यह कैल्शियम कचरे को लगभग पूरी तरह से उपयोग होने तक घुलने और प्रतिक्रिया करने की अनुमति देता है, जबकि स्लैग, जो पहले सुस्त था, इस प्रक्रिया में एक सक्रिय भागीदार बन जाता है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि यह साझेदारी प्रतिक्रिया की विशिष्ट स्थितियों पर बहुत अधिक निर्भर करती है, जैसे कि तापमान, उपयोग की जाने वाली गैस की मात्रा और कचरे में पानी की मात्रा। हर मिश्रण के लिए कोई एक "परफेक्ट" सेटिंग नहीं है जो काम कर सके। यदि पानी बहुत कम है, तो मिश्रण ठीक से मिलने के लिए बहुत गाढ़ा हो जाता है; यदि पानी बहुत अधिक है, तो रसायन प्रभावी ढंग से प्रतिक्रिया करने के लिए बहुत पतले हो जाते हैं। इसी तरह, हालांकि गर्म पानी आम तौर पर प्रतिक्रिया को तेज़ करता है, लेकिन यह गैस की घुलनशीलता को भी कम कर सकता है, जिससे एक विरोधाभास पैदा होता है। समीक्षा सुझाव देती है कि सबसे अच्छा दृष्टिकोण प्रत्येक विशिष्ट प्रकार के कचरे के लिए इन कारकों को सावधानीपूर्वक संतुलित करना है, न कि एक सार्वभौमिक नियम लागू करने का प्रयास करना। लक्ष्य प्रतिक्रिया को कुशल बनाने के लिए पर्याप्त तेज़ रखना है, लेकिन सिस्टम को समय से पहले जाम होने से बचाने के लिए इसे नियंत्रित रखना भी है।

एक बार कार्बनेशन प्रक्रिया पूरी हो जाने के बाद, बनने वाली ठोस सामग्री का उपयोग कंक्रीट और मोर्टार में सीमेंट के विकल्प के रूप में किया जा सकता है। समीक्षा इस बात का विश्लेषण करती है कि निर्माण उत्पादों में मिश्रित किए जाने पर ये नई सामग्रियां कैसा प्रदर्शन करती हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि कार्बनयुक्त कचरा मुख्य रूप से सीमेंट के 'फिलर' (भरने वाले पदार्थ) और उसे सख्त करने में मदद करने वाले सहायक के रूप में कार्य करता है, न कि अपने आप में एक मजबूत रासायनिक बाइंडर के रूप में। जब इसे कम मात्रा में, आमतौर पर कुल मिश्रण के दस से बीस प्रतिशत के आसपास उपयोग किया जाता है, तो यह वास्तव में कंक्रीट की प्रारंभिक मजबूती में सुधार कर सकता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि सूक्ष्म, ठोस कण सीमेंट के बढ़ने के लिए एक सतह प्रदान करते हैं, जिससे सख्त होने की प्रक्रिया तेज हो जाती है। हालाँकि, यदि बहुत अधिक कार्बनयुक्त कचरा डाला जाता है, तो यह सक्रिय सीमेंट को पतला कर देता है, और अंतिम उत्पाद की मजबूती गिर जाती है। कणों का आकार और आकृति भी मायने रखती है; ठोस चट्टान के कुछ रूप मिश्रण को बेहतर प्रवाह में मदद करते हैं, जबकि अन्य इसे सख्त और कठिन बना देते हैं।

मजबूती और कार्यक्षमता के इन आशाजनक परिणामों के बावजूद, समीक्षा इन सामग्रियों की दीर्घकालिक सुरक्षा के संबंध में हमारे ज्ञान में एक महत्वपूर्ण अंतर की ओर संकेत करती है। हालांकि नए ठोस पदार्थ स्थिर और कठोर हैं, अभी तक किसी भी अध्ययन ने यह परीक्षण नहीं किया है कि वे खारे पानी, अम्लीय वर्षा या सर्दियों के जमने और पिघलने जैसी कठोर परिस्थितियों के खिलाफ कैसे टिकते हैं। यह अज्ञात है कि इन सामग्रियों से बना कंक्रीट पारंपरिक कंक्रीट की तरह लंबे समय तक चलेगा या समय के साथ इसमें दरारें आएंगी या यह खराब हो जाएगा। समीक्षा निष्कर्ष निकालती है कि यद्यपि इन कचरे को मिलाकर कार्बन को कैप्चर करने की विधि वैज्ञानिक रूप से सुदृढ़ और यांत्रिक रूप से प्रभावी है, लेकिन निर्माण के लिए इसे व्यापक रूप से तब तक नहीं अपनाया जा सकता जब तक कि इन स्थायित्व संबंधी प्रश्नों का उत्तर न मिल जाए। भविष्य की इमारतों को, जो आज के कचरे से बनी हैं, दशकों तक सुरक्षित और मजबूत बनाए रखने के लिए आगे के शोध की आवश्यकता है।