Dynamic adsorption and regeneration of gaseous ammonia on oxalic acid-modified corn-straw biochar
ऑक्सैलिक एसिड-संशोधित मक्का-ततैया बायोचार, विशेष रूप से 0.4 मोल एल⁻¹ ऑक्सैलिक एसिड के साथ 500°C पर तैयार किया गया नमूना, मेसोपोरस संरचनाओं और ऑक्सीजन युक्त कार्यात्मक समूहों के माध्यम से 27.56 मिलीग्राम जी⁻¹ की उन्नत गतिशील अमोनिया अधिशोषण क्षमता प्रदर्शित करता है, जबकि इथेनॉल धुलाई के माध्यम से आंशिक पुनर्योजी क्षमता बनाए रखता है।
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अमोनिया एक ऐसी गैस है जो अक्सर तब तक अनसुनी रहती है जब तक कि वह समस्या न बन जाए। यह खेतों, पशुधन के अपशिष्ट और उर्वरकों के टूटने से हवा में निकलती है, जो वायुमंडल में सूक्ष्म कण बनाने वाले प्रदूषकों के मिश्रण में योगदान देती है। ये नन्हे कण फेफड़ों की गहराई तक जा सकते हैं और स्मॉग (धुंध) में योगदान दे सकते हैं, जबकि इनके द्वारा ले जाया गया नाइट्रोजन मिट्टी को अम्लीय बना सकता है और जलमार्गों का दम घोंट सकता है। इस गैस को हवा से निकालना कठिन है क्योंकि यह अक्सर कम सांद्रता में मौजूद होती है, फिर भी यह एक महत्वपूर्ण पर्यावरणीय चुनौती बनी हुई है। वैज्ञानिक लंबे समय से ऐसे पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो स्पंज की तरह कार्य कर सकें, और हवा गुजरने पर अमोनिया के अणुओं को फंसा सकें। एक आशाजनक विकल्प बायोचार है, जो ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में पौधों के अवशेषों को गर्म करके बनाया गया एक चारकोल जैसा पदार्थ है। हालांकि बायोचार प्रचुर मात्रा में और सस्ता है, लेकिन साधारण संस्करणों में अक्सर उन विशिष्ट रासायनिक विशेषताओं की कमी होती है जो अमोनिया को प्रभावी ढंग से पकड़ने के लिए आवश्यक हैं। इसे हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इन सामग्रियों की सतह को बदलने के तरीके तलाशना शुरू कर दिया है, जिससे उन्हें उस गैस के प्रति अधिक रासायनिक रूप से आकर्षक बनाया जा सके जिसे उन्हें पकड़ना है।
हारबिन यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अमोनिया गैस को पकड़ने की मक्का-तिनके (कॉर्न-स्ट्रॉ) के बायोचार की क्षमता में सुधार करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने सतह को संशोधित करने के लिए ऑक्सालिक एसिड (एक सामान्य कार्बनिक अम्ल जो कई पौधों में पाया जाता है) का उपयोग करते हुए एक सरल रासायनिक उपचार पर ध्यान केंद्रित किया। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह उपचार एक ऐसा पदार्थ बना सकता है जो न केवल अमोनिया को अच्छी तरह से पकड़े बल्कि जिसे साफ और पुन: उपयोग भी किया जा सके। शोधकर्ताओं ने सूखी मक्का की डंठल लेकर, उन्हें बारीक पाउडर में पीसकर, बिना जलाए नाइट्रोजन गैस के प्रवाह के तहत एक भट्टी में गर्म करके शुरुआत की। उन्होंने सबसे अच्छे आधार सामग्री को खोजने के लिए विभिन्न तापन तापमान और अवधि का परीक्षण किया। एक ठोस शुरुआती बिंदु मिलने के बाद, उन्होंने चारकोल को ऑक्सालिक एसिड के विभिन्न सांद्रता वाले घोलों में भिगोया, और मिश्रण को घंटों तक हिलाते रहे और फिर उसे सुखा दिया। यह प्रक्रिया चारकोल को नए रासायनिक समूहों से लेपित करने के लिए डिज़ाइन की गई थी जो अमोनिया के साथ अधिक मजबूती से अंतःक्रिया कर सकते हैं।
एक आदर्श नुस्खा खोजने के लिए, टीम ने तापन तापमान, तापन समय और अम्ल सांद्रता के सोलह अलग-अलग संयोजनों का परीक्षण करने के लिए एक व्यवस्थित दृष्टिकोण अपनाया। उन्होंने प्रत्येक संशोधित सामग्री से भरे एक कॉलम के माध्यम से अमोनिया युक्त हवा की एक धारा प्रवाहित की और यह मापा कि गैस को दूसरी ओर से टूटने (ब्रेकथ्रू) में कितना समय लगा। परिणामों ने एक स्पष्ट विजेता की ओर संकेत किया: एक नमूना जिसे मक्का के तिनके को 500 डिग्री सेल्सियस पर चार घंटे तक गर्म करके और फिर ऑक्सालिक एसिड की एक विशिष्ट सांद्रता के साथ उपचारित करके बनाया गया था। इस विशेष सामग्री ने, जिसे शोधकर्ताओं ने CC-0.4-500-4 लेबल दिया, अन्य सभी की तुलना में बहुत लंबे समय तक अमोनिया को थामे रखा, और प्रति ग्राम सामग्री के लिए कुल 27.56 मिलीग्राम अमोनिया को पकड़ा। यह प्रदर्शन अनुपचारित चारकोल की तुलना में काफी बेहतर था, जिसे दस मिनट तक भी गैस को रोकने के लिए संघर्ष करना पड़ा।
जब वैज्ञानिकों ने इस विजेता सामग्री का बारीकी से निरीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि ऑक्सालिक एसिड उपचार ने इसके भौतिक और रासायनिक स्वरूप को सहायक तरीकों से बदल दिया था। चारकोल एक ठोस ब्लॉक नहीं था बल्कि एक छिद्रपूर्ण नेटवर्क था, जो बिल्कुल एक स्पंज की तरह था, जिसमें मध्यम आकार के छिद्रों की एक बड़ी संख्या थी जिससे गैस आसानी से अंदर प्रवाहित हो सके। सामग्री की सतह ऑक्सीजन-आधारित रासायनिक समूहों, विशेष रूप से कार्बोक्सिल और कार्बोनिल समूहों से समृद्ध थी, जो अमोनिया के अणुओं के लिए छोटे चुंबकों की तरह कार्य करते हैं। इन समूहों ने अमोनिया को रासायनिक आकर्षण के माध्यम से सतह से चिपके रहने की अनुमति दी, जबकि छिद्रों ने गैस को सामग्री के भीतर गहरे उन चिपचिपे स्थानों तक पहुँचने के लिए मार्ग प्रदान किया। शोधकर्ताओं ने स्थायी मुक्त कणों (परसिस्टेंट फ्री रेडिकल्स) की उपस्थिति का भी पता लगाया, जो अस्थिर परमाणु होते हैं जो यह प्रभावित कर सकते हैं कि सतह अन्य रसायनों के साथ कैसे प्रतिक्रिया करती है, जो संभावित रूप से कैप्चर प्रक्रिया में मदद करते हैं।
अध्ययन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा यह निर्धारित करना था कि क्या इस सामग्री का एक से अधिक बार उपयोग किया जा सकता है। अधिशोषक (एडसॉर्बेंट्स) तभी व्यावहारिक होते हैं जब उन्हें उनकी प्रभावशीलता खोए बिना साफ और पुन: उपयोग किया जा सके। टीम ने अमोनिया से संतृप्त चारकोल को पानी और इथेनॉल से धोकर यह देखने की कोशिश की कि क्या वे फंसे हुए गैस को मुक्त कर सकते हैं और सामग्री की अधिक पकड़ने की क्षमता को बहाल कर सकते हैं। उन्होंने पाया कि दस मिनट के लिए इथेनॉल से संक्षिप्त धुलाई सबसे प्रभावी तरीका था, जिससे सामग्री की मूल क्षमता का लगभग दो-तिहाई हिस्सा वापस मिल गया। दो चक्रों (कैप्चर और सफाई) के बाद भी, सामग्री ने अपनी प्रारंभिक क्षमता का लगभग आधा हिस्सा बनाए रखा। यह सुझाव देता है कि अमोनिया को थामने वाले रासायनिक बंधन इतने मजबूत नहीं थे कि उन्हें एक सौम्य विलायक (सॉल्वेंट) द्वारा तोड़ा न जा सके, और न ही इतने कमजोर थे कि सामग्री बिखर जाए।
अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि इस सामग्री की सफलता कई कारकों के मिलकर काम करने से आई। छिद्रों ने गैस को सक्रिय स्थलों तक पहुँचाने में मदद की, जबकि ऑक्सीजन-समृद्ध सतह रसायन विज्ञान ने उसे थामे रखने के लिए आवश्यक पकड़ प्रदान की। मुक्त कणों की उपस्थिति और सतह पर विशिष्ट नाइट्रोजन-युक्त यौगिकों के निर्माण ने इस विचार को और समर्थन दिया कि यह अंतःक्रिया जटिल और रासायनिक प्रकृति की थी। हालांकि सामग्री का उपयोग के दौरान कुछ क्षमता कम हुई, जो संभवतः सतह के रसायन और छिद्र संरचना में बदलाव के कारण थी, फिर भी परिणामों ने दिखाया कि ऑक्सालिक एसिड-संशोधित मक्का-तिनके का बायोचार हवा से अमोनिया को पकड़ने के लिए एक व्यवहार्य विकल्प है। यह कृषि अपशिष्ट को प्रदूषण नियंत्रण के लिए एक उपयोगी उपकरण में बदलने का एक तरीका प्रदान करता है, जिसे सरल विलायकों के साथ साफ और पुन: उपयोग किया जा सकता है, जो उस गैस के प्रबंधन की दिशा में एक व्यावहारिक कदम है जिसे अन्यथा वायुमंडल से हटाना कठिन होता है।
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