Multi-model Isoconversional kinetic and pyrolysis behaviour of waste sawdust towards its bioenergy potential

दुनिया की ऊर्जा की भूख बढ़ रही है, फिर भी पारंपरिक ईंधन, जिन्होंने सदियों से सभ्यता को शक्ति दी है, सीमित हैं और जलवायु के लिए हानिकारक हैं। जैसे-जैसे स्वच्छ विकल्पों की खोज तेज हो रही है, वैज्ञानिक अपना ध्यान प्रतिदिन जमा होने वाले विशाल जैविक कचरे की ओर केंद्रित कर रहे हैं। इन सामग्रियों के बीच, लकड़ी का बुरादा—जो टिंबर प्रसंस्करण का एक उपोत्पाद है और जिसे अक्सर सड़ने या खुले खेतों में जलाने के लिए छोड़ दिया जाता है—एक शांत संभावना रखता है। इसकी क्षमता को उजागर करने के लिए, शोधकर्ता इस बात का अध्ययन करते हैं कि जब इस बायोमास को बिना ऑक्सीजन के गर्म किया जाता है, तो यह कैसे टूटता है, जिसे पायरोलिसिस (pyrolysis) नामक प्रक्रिया कहा जाता है। यह तापीय उपचार ठोस पादप पदार्थ को उपयोगी ईंधन, गैसों और ठोस कार्बन अवशेषों में बदल देता है। हालांकि, चूंकि लकड़ी विभिन्न प्राकृतिक रेशों का एक जटिल मिश्रण है, इसलिए यह अनुमान लगाना कठिन है कि गर्मी के तहत यह वास्तव में कैसा व्यवहार करेगी। इसके रासायनिक बंधों को तोड़ने के लिए आवश्यक सटीक ऊर्जा को समझना, और विभिन्न तापमानों पर वे बंध कितनी तेजी से टूटते हैं, यह समझना कुशल मशीनें डिजाइन करने के लिए आवश्यक है जो कचरे को ऊर्जा में बदल सकें।

हाल ही में एक जांच में, भारत के मणिपाल उच्च शिक्षा अकादमी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने मिश्रित लकड़ी के बुरादे के तापीय व्यवहार का मानचित्रण करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने एक स्थानीय मिल से बुरादा एकत्र किया, उसे सुखाया और एक समान पाउडर में पीस लिया ताकि निरंतरता सुनिश्चित की जा सके। सामग्री को गर्म करने से पहले, उन्होंने इसके भौतिक और रासायनिक गठन को सावधानीपूर्वक मापा। उन्होंने पाया कि बुरादा वाष्पशील घटकों (volatile components) से समृद्ध था, जो सामग्री के वे हिस्से हैं जो गर्म होने पर गैस में बदल जाते हैं, और इसमें राख (ash) की मात्रा बहुत कम थी, जो पीछे छूटा हुआ गैर-ज्वलनशील अवशेष है। इस संरचना ने सुझाव दिया कि यह ऊर्जा उत्पादन के लिए एक उत्कृष्ट उम्मीदवार होगा। उन्होंने यह भी निर्धारित किया कि इस सामग्री में काफी मात्रा में संचित ऊर्जा थी, जो प्रत्येक किलोग्राम जलने पर लगभग 19 मेगाजूल ऊष्मा छोड़ने में सक्षम है, एक ऐसा आंकड़ा जो अन्य ज्ञात बायोफ्यूल के साथ तुलनात्मक रूप से अनुकूल है।

अध्ययन के मुख्य भाग में छोटे बुरादे के नमूनों को एक नियंत्रित वातावरण में गर्म करना और यह मापना शामिल था कि तापमान बढ़ने के साथ उनका वजन कितना कम हुआ। शोधकर्ताओं ने चार अलग-अलग गतियों पर ये परीक्षण किए, जिसमें तापमान को धीमी दस डिग्री प्रति मिनट से लेकर तीव्र चालीस डिग्री प्रति मिनट तक धीरे-धीरे बढ़ाया गया। सबसे धीमी गति पर, बुरादे ने एक स्पष्ट तीन-चरणीय पथ का अनुसरण किया। पहले, नमी के वाष्पीकरण के रूप में इसने थोड़ा वजन खो दिया। फिर, 150 से 550 डिग्री सेल्सियस के बीच, इसने एक नाटकीय परिवर्तन किया, जिसमें पादप रेशों के टूटने से इसका अधिकांश द्रव्यमान निकल गया। अंत में, 550 डिग्री से ऊपर, शेष ठोस अवशेष धीरे-धीरे विघटित हुआ। जब हीटिंग की दर बढ़ाई गई, तो पूरी प्रक्रिया उच्च तापमान की ओर स्थानांतरित हो गई। सामग्री को टूटने के लिए अधिक ऊष्मा की आवश्यकता थी क्योंकि तीव्र तापमान वृद्धि के कारण ऊष्मा कणों में समान रूप से प्रवेश करने के लिए पर्याप्त समय नहीं मिला। दिलचस्प बात यह है कि तेज़ हीटिंग दरों के परिणामस्वरूप ठोस अवशेष भी थोड़े कम बचे, क्योंकि तीव्र ऊष्मा ने अधिक सामग्री को चार (char) के रूपए रहने के बजाय गैस में बदलने के लिए प्रोत्साहित किया।

इस टूटने के पीछे के तंत्र को समझने के लिए, टीम ने गणितीय मॉडलों के एक समूह को लागू किया जिसे सामग्री द्वारा पार की जाने वाली ऊर्जा बाधाओं की गणना करने के लिए डिज़ाइन किया गया था। वे किसी एक विधि पर निर्भर नहीं थे बल्कि आठ अलग-अलग दृष्टिकोणों से प्राप्त परिणामों की तुलना की, जिनमें से प्रत्येक वजन घटाने के डेटा की व्याख्या करने के लिए थोड़ा अलग तरीका उपयोग करता था। गणनाओं से पता चला कि प्रतिक्रिया शुरू करने के लिए आवश्यक ऊर्जा एक एकल निश्चित संख्या नहीं थी बल्कि जैसे-जैसे सामग्री टूटती गई, वह बदलती रही। प्रक्रिया की शुरुआत में, जब अधिक नाजुक पादप रेशों का अपघटन हो रहा था, तब ऊर्जा की आवश्यकता अधिक थी। जैसे-जैसे प्रतिक्रिया आगे बढ़ी और अधिक कठोर, जटिल घटकों का टूटना शुरू हुआ, ऊर्जा की आवश्यकता में उतार-चढ़ाव आया, जिससे पुष्टि हुई कि बुरादा एक सरल चरण में नहीं पिघलता या जलता है। इसके बजाय, यह इसके विभिन्न रासायनिक हिस्सों से जुड़ी कई ओवरलैपिंग प्रतिक्रियाओं से गुजरता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि इस प्रक्रिया को चलाने के लिए औसत आवश्यक ऊर्जा 168 और 187 किलोजूल प्रति मोल के बीच थी, जो एक जटिल लेकिन प्रबंधनीय प्रतिक्रिया पथ का संकेत देती है।

अध्ययन ने प्रक्रिया की ऊष्मागतिकी (thermodynamic) प्रकृति को भी देखा, यह निर्धारित किया कि क्या प्रतिक्रिया स्वतः होगी या इसे ऊर्जा के निरंतर धक्के की आवश्यकता होगी। परिणामों ने दिखाया कि बुरादे का टूटना एक ऊष्माशोषी (endothermic) प्रक्रिया है, जिसका अर्थ है कि यह अपने परिवेश से ऊष्मा अवशोषित करती है न कि स्वयं से ऊष्मा छोड़ती है। यह पुष्टि करता है कि प्रतिक्रिया को जारी रखने के लिए बाहरी ऊर्जा की आपूर्ति करनी होगी। शोधकर्ताओं ने प्रणाली के भीतर विकार (disorder) और ऊर्जा उपलब्धता में परिवर्तन की भी गणना की, और पाया कि प्रक्रिया व्यवहार्य है लेकिन इसके लिए तापमान और समय के सावधानीपूर्ण प्रबंधन की आवश्यकता है। रबर की लकड़ी और ऑयल पाम ट्रंक जैसे अन्य प्रकार के बायोमास के डेटा के साथ अपने निष्कर्षों की तुलना करके, उन्होंने पुष्टि की कि इस विशिष्ट अपशिष्ट बुरादे की रासायनिक संरचना संतुलित है जो इसे बायोएनर्जी में रूपांतरण के लिए अत्यधिक उपयुक्त बनाती है।

अंततः, यह कार्य प्रदर्शित करता है कि अपशिष्ट मिश्रित लकड़ी का बुरादा टिकाऊ ऊर्जा प्रणालियों के लिए एक मजबूत और आशाजनक फीडस्टॉक है। इसकी उच्च वाष्पशील सामग्री और कम राख स्तर का अर्थ है कि इसे तरल ईंधन और गैसों में कुशलतापूर्वक परिवर्तित किया जा सकता है। शोधकर्ताओं द्वारा बनाए गए विस्तृत काइनेटिक मैप पायरोलिसिस रिएक्टर डिजाइन करने वाले इंजीनियरों के लिए एक विश्वसनीय मार्गदर्शिका प्रदान करते हैं, जो यह दिखाते हैं कि सामग्री विभिन्न हीटिंग गतियों के प्रति कैसे प्रतिक्रिया करती है। यह सिद्ध करके कि इस सामान्य अपशिष्ट उत्पाद को अनुमानित और कुशल तापीय व्यवहार के साथ बदला जा सकता है, यह अध्ययन औद्योगिक उपोत्पादों को स्वच्छ, नवीकरणीय ऊर्जा के स्रोत में बदलने की दिशा में एक ठोस कदम है।