Colouring penetration-grade bitumen through emulsification and optical masking with a light mineral phase: laboratory development and process design
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि पारंपरिक काले बिटुमेन को हल्का करना और रंगना इमल्सीफिकेशन और ऑप्टिकल मास्किंग के लिए हल्के खनिज चरणों के संयोजन वाली एक कम लागत वाली, स्केलेबल प्रक्रिया के माध्यम से संभव है, जो बाइंडर को काले से ग्रे में बदल देती है और कम पिगमेंट उपयोग के साथ प्रभावी टिंटिंग की अनुमति देती है।
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हमारे पैरों के नीचे की ज़मीन अक्सर डामर (asphalt) का एक गहरा, चिपचिपा टेपेस्ट्री होती है, जो कच्चे तेल के भारी अवशेष से प्राप्त एक पदार्थ है। यह पदार्थ, जिसे बिटुमेन (bitumen) के रूप में जाना जाता है, उस गोंद की तरह काम करता है जो उन सड़कों, साइकिल लेन और पार्किंग स्थलों को एक साथ जोड़कर रखता है जिनका हम रोज़ाना उपयोग करते हैं। अपने प्राकृतिक रूप में, बिटुमेन एक गहरा, प्रकाश को सोखने वाला काला रंग का होता है क्योंकि यह एस्फाल्टीन (asphaltenes) नामक सूक्ष्म, जटिल अणुओं से भरा होता है जो लगभग सभी दृश्य प्रकाश को सोख लेते हैं। हालांकि यह काला रंग स्थायित्व के लिए उत्तम है, लेकिन इसका एक नुकसान भी है: यह सूरज की गर्मी को सोख लेता है, जिससे "शहरी ताप द्वीप" (urban heat island) प्रभाव पैदा होता है जहाँ शहर आसपास के ग्रामीण इलाकों की तुलना में काफी अधिक गर्म हो जाते हैं। इस समस्या से निपटने के लिए, इंजीनियरों और नगर योजनाकारों ने लंबे समय से इन सतहों को रंगने के तरीके खोजे हैं, ताकि उन्हें लाल, हरे या नीले जैसे हल्के रंगों में बदलकर गर्मी को परावर्तित किया जा सके और सुरक्षा में सुधार किया जा सके। हालाँकि, रंगीन सड़क बनाने का मार्ग एक सरल भौतिक समस्या द्वारा अवरुद्ध रहा है। काले गोंद में चमकीले पिगमेंट मिलाने से आमतौर पर एक मटमैला, गहरा भूरा मिश्रण प्राप्त होता है, और दूसरा विकल्प—महंगे, पारदर्शी सिंथेटिक बाइंडर्स का उपयोग करना जो किसी भी रंग को स्वीकार कर लेते हैं—इस परियोजना को व्यापक उपयोग के लिए बहुत महंगा बना देता है।
कराची विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस पहेली को सुलझाने के लिए एक तरीका खोजने का प्रयास किया जिससे साधारण काले बिटुमेन को महंगे सिंथेटिक विकल्पों के बिना एक हल्के, रंग योग्य आधार में बदला जा सके। उनका दृष्टिकोण बिटुमेन के कालेपन से लड़ने का नहीं, बल्कि उसे छिपाने का था। उन्होंने सबसे स्पष्ट विचार का परीक्षण करके शुरुआत की: सीधे गर्म, तरल बिटुमेन में एक चमकीला नारंगी रंग मिलाना। परिणाम निराशाजनक था। बड़ी मात्रा में डाई डालने के बावजूद, मिश्रण गहरा, मटमैला भूरा ही रहा। बिटुमेन के काले अणु बहुत अधिक प्रभावशाली थे, जो उस प्रकाश को निगल गए जिसे डाई परावर्तित करने की कोशिश कर रही थी। उन्होंने गर्म बिटुमेन में सीधे मिट्टी (clay) और चाक जैसे हल्के रंग के पाउडर मिलाने की भी कोशिश की, इस उम्मीद में कि ये सफेद कण मिश्रण को चमकीला बना देंगे। यह भी विफल रहा। गर्म, निरंतर तरल में, काले बिटुमेन ने पाउडर के हर एक कण को ढंक लिया, जिससे पूरा मिश्रण वापस काला हो गया।
सफलता तब मिली जब शोधकर्ताओं ने बिटुमेन की भौतिक अवस्था को बदल दिया। इसे एक निरंतर तरल के रूप में रखने के बजाय, उन्होंने इसे छोटी बूंदों में तोड़ दिया और पानी में निलंबित कर दिया, जिससे एक 'बिटुमेन-इन-वॉटर इमल्शन' (bitumen-in-water emulsion) बन गया। इसे ऐसे समझें जैसे चॉकलेट के एक ठोस ब्लॉक को दूध में तैरते हुए चॉकलेट के महीन बादलों में बदल दिया गया हो। एक बार जब बिटुमेन इन छोटी बूंदों में फंस गया, तो शोधकर्ताओं ने पानी में मौजूद बूंदों के चारों ओर एक हल्का खनिज चरण, विशेष रूप से एक प्रकार की महीन मिट्टी और कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड पेश किया। चूंकि बिटुमेन अब एक निरंतर काली फिल्म नहीं था, इसलिए हल्के रंग के खनिज बूंदों के चारों ओर जमा हो सके और काले केंद्र तक पहुँचने से पहले ही प्रकाश को बिखेर (scatter) सके। इस प्रक्रिया को, जिसे शोधकर्ता 'ऑप्टिकल मास्किंग' (optical masking) कहते हैं, ने मिश्रण को जेट-ब्लैक तरल से एक नरम, हल्के ग्रे रंग में बदल दिया।
इस नए ग्रे बेस के साथ, शोधकर्ताओं ने पाया कि वे रंग को बहुत अधिक प्रभावी ढंग से जोड़ सकते हैं। क्योंकि पृष्ठभूमि अब प्रकाश को सोखने वाला काला नहीं था, इसलिए एक दृश्यमान, जीवंत शेड बनाने के लिए कम मात्रा में पिगमेंट की आवश्यकता थी। हालाँकि, इस नए मिश्रण को दो बाधाओं का सामना करना पड़ा। पहला, बिटुमेन को इमल्शन में बदलने और उसे मिट्टी से ढकने से इसकी चीजों को जोड़ने की क्षमता कमजोर हो गई। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने एक पॉलीमर-मॉिफाइड बाइंडर जोड़ा, जिसने सामग्री की मजबूती को बहाल करने के लिए गोंद की तरह काम किया। दूसरा, शुरुआत में उपयोग किए गए चमकीले टेक्सटाइल डाइज़ पानी के संपर्क में आने पर आसानी से धुल जाते थे। शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि एक सड़क के टिकाऊ होने के लिए, उन्हें जल-घुलनशील डाइज़ को प्रकाश-प्रतिरोधी अकार्बनिक पिगमेंट्स (inorganic pigments) से बदलना होगा, जो पारंपरिक निर्माण में उपयोग किए जाने वाले आयरन ऑक्साइड के समान हैं, जो सतह से बेहतर तरीके से जुड़ते हैं।
प्रयोगशाला में अवधारणा को सिद्ध करने के बाद, टीम ने इस रंगीन बाइंडर का उत्पादन करने के लिए एक निरंतर औद्योगिक प्रक्रिया तैयार की। उन्होंने गणना की कि उत्पादित प्रत्येक किलोग्राम शुष्क बाइंडर के लिए, इस प्रक्रिया को लगभग 0.22 मेगाजूल ऊष्मा और 0.077 किलोवाट-घंटा बिजली की आवश्यकता होगी। अध्ययन के समय इस रंगीन बाइंडर के कच्चे माल की लागत साधारण, बिना रंग वाले बिटुमेन की कीमत से लगभग 1.4 गुना अधिक अनुमानित की गई थी। हालांकि यह मानक सड़क गोंद की तुलना में अधिक महंगा है, फिर भी यह रंगीन सड़कों के लिए उपयोग किए जाने वाले पारदर्शी सिंथेटिक बाइंडर्स की तुलना में बहुत सस्ता है। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि ऑप्टिकल मास्किंग की यह विधि रंगीन, ताप-परावर्तक फुटपाथ बनाने के लिए एक आशाजनक, कम लागत वाला मार्ग प्रदान करती है। हालाँकि, उन्होंने उल्लेख किया कि वास्तविक सड़कों पर इस सामग्री के उपयोग से पहले, यह सुनिश्चित करने के लिए कठोर परीक्षण किया जाना चाहिए कि यह यातायात और तत्वों के घर्षण को सहन कर सके, क्योंकि वर्तमान अध्ययन प्रयोगशाला अवलोकनों और दृश्य जांच तक ही सीमित था।
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