Nonadditive interactions during co-pyrolysis of sewage sludge and corn straw and their implications for KOH activation and methylene blue adsorption

दुनिया भर के अपशिष्ट जल उपचार संयंत्रों (wastewater treatment plants) के सामने एक बढ़ती चुनौती है: हमारे पानी को साफ करने के बाद पीछे रह जाने वाले गाढ़े, गीले कीचड़ (sludge) का क्या किया जाए। यह पदार्थ कार्बनिक पदार्थों से भरा होता है, लेकिन यह पानी से भी भारी होता है और इसमें ऐसे खनिज होते हैं जो इसे उपयोगी बनाने में कठिनाई पैदा करते हैं। इसे केवल जलाना अक्सर एक भंगुर, राख से भरे अवशेष को छोड़ देता है जो प्रदूषकों को सोखने में बहुत अच्छा नहीं होता है। वैज्ञानिक लंबे समय से इस कचरे को एक मूल्यवान संसाधन में बदलने के तरीके खोज रहे हैं, विशेष रूप से एक प्रकार के कार्बन में जो हानिकारक रंगों और रसायनों को फँसाने के लिए स्पंज की तरह काम कर सके। इस परिवर्तन की कुंजी यह समझने में निहित है कि विभिन्न सामग्रियां एक साथ गर्म होने पर कैसे व्यवहार करती हैं। जब दो अलग-अलग कार्बनिक पदार्थों, जैसे सीवेज स्लज और पौधों के डंठल को, हवा की अनुपस्थिति में गर्म किया जाता है, तो वे हमेशा अपने हिस्सों के सरल योग की तरह व्यवहार नहीं करते हैं। कभी-कभी, एक सामग्री के खनिज दूसरी सामग्री के टूटने की प्रक्रिया को तेज कर देते हैं, या एक से निकलने वाली गैसें दूसरी को एक मजबूत संरचना बनाने में मदद कर सकती हैं। यह जटिल परस्पर क्रिया, जिसे 'नॉन-एडिटिव इंटरैक्शन' (nonadditive interaction) कहा जाता है, यह निर्धारित करती है कि अंतिम उत्पाद एक कमजोर, भुरभुरा चार (char) होगा या एक मजबूत, छिद्रयुक्त सामग्री जो पानी को साफ करने में सक्षम है।

हाल ही में किए गए एक अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने सीवेज स्लज को मक्का के पुआल (corn straw), जो कि एक सामान्य कृषि अपशिष्ट है, के साथ मिलाकर इस परस्पर क्रिया का लाभ उठाने की कोशिश की। उन्होंने प्रत्येक सामग्री के छोटे नमूनों को अलग-अलग और फिर विभिन्न संयोजनों में गर्म करके देखा कि वे कैसे प्रतिक्रिया करते हैं। उन्होंने पाया कि सीवेज स्लज अकेले अपना ठोस द्रव्यमान बनाए रखने की प्रवृत्ति रखता है लेकिन धीरे-धीरे टूटता है, जबकि मक्का का पुआल अपनी गैसों को तेजी से छोड़ देता है और पीछे बहुत कम ठोस अवशेष छोड़ता है। जब उन्हें समान भागों में मिलाया गया, तो दोनों सामग्रियों ने एक संतुलन पा लिया। मक्का के पुआल ने उन गैसों को छोड़ने में मदद की जिससे मिश्रण के भीतर प्रारंभिक चैनल बन सके, जबकि स्लज ने संरचना को बरकरार रखने के लिए पर्याप्त ठोस सामग्री प्रदान की। इस विशिष्ट मिश्रण को, एक आधार 'चार' बनाने के लिए पहले मध्यम तापमान पर गर्म किया गया था, और फिर इसे एक रासायनिक घोल के साथ उपचारित किया गया ताकि सूक्ष्म छिद्रों का एक विशाल नेटवर्क उकेरा जा सके। शोधकर्ताओं ने पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड, जो एक शक्तिशाली रासायनिक एजेंट है, का उपयोग इन स्थानों को तराशने के लिए किया, जिससे घने 'चार' को प्रभावी रूप से एक हल्के, अत्यधिक छिद्रयुक्त कार्बन में बदल दिया गया।

प्रक्रिया को एक आदर्श रेसिपी खोजने के लिए सावधानीपूर्वक ट्यून किया गया था। टीम ने स्लज से स्ट्रॉ के विभिन्न अनुपात, रासायनिक एजेंट की विभिन्न मात्रा, और विभिन्न तापन तापमान और समय का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि समान भागों में स्लज और स्ट्रॉ का मिश्रण, जिसे एक विशिष्ट मात्रा में रासायनिक एजेंट के साथ उपचारित किया गया और 800 डिग्री सेल्सियस पर डेढ़ घंटे तक गर्म किया गया, सबसे प्रभावी सामग्री बनाता है। इस अंतिम उत्पाद, जिसे शोधकर्ताओं ने KSC800 नाम दिया, ने एक नाटकीय परिवर्तन का अनुभव किया। इसका सतह क्षेत्र (surface area), यानी अणुओं के चिपकने के लिए उपलब्ध कुल स्थान, एक मामूली 79 वर्ग मीटर प्रति ग्राम से बढ़कर 647 वर्ग मीटर प्रति ग्राम से अधिक हो गया। इसे देखने के लिए, कल्पना करें कि इस सामग्री के एक ग्राम में सतह क्षेत्र लगभग एक छोटे टेनिस कोर्ट के बराबर होता है, जो एक चीनी के टुकड़े से भी छोटे स्थान में समाया हुआ है। सतह क्षेत्र में यह भारी वृद्धि लाखों सूक्ष्म छिद्रों के निर्माण के कारण हुई, जो सूक्ष्म सुरंगों से लेकर थोड़े बड़े चैनलों तक फैले हुए हैं जो प्रवाह को आसानी से होने देते हैं।

यह परीक्षण करने के लिए कि क्या यह नई सामग्री वास्तव में काम करती है, शोधकर्ताओं ने इसका उपयोग मेथिलीन ब्लू (methylene blue) को हटाने के लिए किया, जो प्रदूषण के मार्कर के रूप में जल अध्ययन में उपयोग किया जाने वाला एक चमकीला नीला रंग है। कार्बन एक उत्कृष्ट अवशोषक साबित हुआ, जिसने पानी से रंग को उच्च दक्षता के साथ खींच लिया। यह प्रति ग्राम कार्बन के लिए 110 मिलीग्राम से अधिक रंग को रोक सकता था, जिसकी क्षमता ने विभिन्न रासायनिक उपचारों से बनी अन्य सामग्रियों को भी पीछे छोड़ दिया। अध्ययन ने यह भी देखा कि क्या इस सामग्री का पुन: उपयोग किया जा सकता है। रंग से भरे कार्बन को एसिड में भिगोकर रंग को धोने के बाद, सामग्री को सुखाया गया और फिर से परीक्षण किया गया। रंग को सोखने और सफाई के पांच पूर्ण चक्रों के बाद भी, इसने अपनी मूल अवशोषण क्षमता का लगभग 70 प्रतिशत बनाए रखा, जो इसके बार-बार उपयोग के लिए एक टिकाऊ समाधान होने का सुझाव देता है।

ये निष्कर्ष अपशिष्ट प्रबंधन के लिए एक व्यावहारिक मार्ग को उजागर करते हैं। सीवेज स्लज को मक्का के पुआल के साथ मिलाकर, शोधकर्ताओं ने दो अलग-अलग अपशिष्ट धाराओं को एक एकल, उच्च-प्रदर्शन वाली सामग्री में बदल दिया। अध्ययन पुष्टि करता है कि गर्म करने के दौरान इन सामग्रियों की परस्पर क्रिया यादृच्छिक (random) नहीं है; इसे एक विशिष्ट प्रकार के कार्बन को उत्पन्न करने के लिए अनुमानित और नियंत्रित किया जा सकता है जिसमें सूक्ष्म और मध्यम आकार के छिद्रों का मिश्रण हो। यह संरचना पानी को साफ करने के लिए आदर्श है क्योंकि यह प्रदूषकों को थामे रखने की क्षमता और प्रदूषकों तक पहुँचने के लिए मार्ग, दोनों प्रदान करती है। हालांकि इस सामग्री में मूल स्लज से कुछ खनिज अवशेष अभी भी मौजूद हैं, लेकिन उन्होंने इसके प्रदर्शन में बाधा नहीं डाली। इसके बजाय, इस प्रक्रिया ने प्रदर्शित किया कि सही तापन और रासायनिक उपचार के साथ, सीवेज स्लज की सीमाओं को पार किया जा सकता है, जिससे एक कठिन अपशिष्ट उत्पाद को पर्यावरण संरक्षण के उपकरण में बदला जा सकता है। यह शोध एक ऐसे भविष्य की ओर एक स्पष्ट, मापा गया कदम है जहाँ हमारे शहरों और खेतों के उपोत्पादों को केवल निपटाया नहीं जाता है, बल्कि उन्हें संसाधनों में बदल दिया जाता है जो हमारे पानी को स्वच्छ रखने में मदद करते हैं।