Selective Separation of Ni 2+ /Co 2+ and H + from MWCNT Purification Waste Acid by an Acid-Resistant Nanofiltration Membrane and Reuse Evaluation

इलेक्ट्रिक वाहनों और पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स को शक्ति देने वाली लिथियम-आयन बैटरियों के भीतर एक महत्वपूर्ण घटक मौजूद है: कार्बन नैनोट्यूब। ये कार्बन परमाणुओं से बनी सूक्ष्म, नली के आकार की संरचनाएं हैं, जो अपनी मजबूती और बिजली संचालित करने की क्षमता के लिए प्रसिद्ध हैं। इनका निर्माण करने के लिए, इंजीनियर अक्सर निकल और कोबाल्ट जैसे धातुओं के सूक्ष्म कणों को उत्प्रेरक (कैटलिस्ट) के रूप में उपयोग करते हैं ताकि कार्बन को उसके सटीक आकार में बढ़ने में मदद मिल सके। हालांकि, एक बार जब नलियां बन जाती हैं, तो ये धातु के कण उनके अंदर फंसे रह जाते हैं या उनकी सतह से चिपके रहते हैं, जो अशुद्धियों के रूप में कार्य करते हैं जिन्हें उच्च-प्रदर्शन वाली बैटरियों के लिए उपयोगी बनाने हेतु हटाना आवश्यक होता है। इन्हें साफ करने का मानक तरीका उन्हें सल्फ्यूरिक एसिड में उबालना है, एक ऐसी प्रक्रिया जिसमें वांछित धातु के कणों को तरल में घोल दिया जाता है। यह पीछे एक अपशिष्ट धारा छोड़ देता है जो खतरनाक रूप से अम्लीय होती है और घुली हुई धातुओं से भरी होती है। पारंपरिक रूप से, कारखाने इस कचरे को उदासीन (न्यूट्रलाइज) करने के लिए बड़ी मात्रा में रसायनों का उपयोग करते हैं, जिससे खतरनाक कचरे का गाढ़ा घोल (स्लज) बनता है और कीमती धातुओं और एसिड दोनों को फेंक दिया जाता है, जो एक महंगी और पर्यावरण के लिए हानिकारक प्रक्रिया है।

चीन के शोधकर्ताओं ने एक विशेष फिल्टर का उपयोग करके इस चक्र को तोड़ने का एक तरीका खोजा है। कचरे को उदासीन करने के बजाय, उन्होंने इसे एक झिल्ली (मेम्ब्रेन) के माध्यम से गुजारा जो तीव्र एसिड को सहने के लिए डिज़ाइन की गई है। यह झिल्ली एक बहुत ही महीन छलनी की तरह कार्य करती है जो पानी और एसिड के अणुओं को गुजरने देती है जबकि भारी धातु आयनों को रोक लेती है। लक्ष्य यह देखना था कि क्या यह सरल पृथक्कीकरण कीमती धातुओं को पुन: उपयोग के लिए केंद्रित कर सकता है और साफ एसिड को वापस कारखाने में उपयोग के लिए भेजा जा सकता है। शोधकर्ताओं ने दो अलग-अलग प्रकार के कचरे पर इस पद्धति का परीक्षण किया: एक जिसमें कोबाल्ट था और दूसरा जिसमें निकल था। उन्होंने पाया कि झिल्ली धातुओं को एसिड से सफलतापूर्वक अलग कर सकती है, जिससे धातुएं इतनी समृद्ध हो गईं कि उन्हें आसानी से पुनः प्राप्त किया जा सके, और साथ ही एक साफ एसिड धारा भी प्राप्त हुई जो अगले सफाई चक्र के लिए नए एसिड जितनी ही प्रभावी थी।

यह अध्ययन मल्टी-वॉल्ड कार्बन नैनोट्यूब के शुद्धिकरण के दौरान उत्पन्न होने वाली दो विशिष्ट अपशिष्ट धाराओं पर केंद्रित था। एक धारा उन ट्यूबों से आई जो कोबाल्ट उत्प्रेरक से बनी थीं, और दूसरी उन ट्यूबों से जो निकल उत्प्रेरक से बनी थीं। दोनों धाराएं अत्यधिक अम्लीय थीं, जिसमें निकल वाला कचरा कोबाल्ट वाले कचरे की तुलना में थोड़ा अधिक आक्रामक था। शोधकर्ताओं ने इन तरल पदार्थों को एक वाणिज्यिक मेम्ब्रेन मॉड्यूल के माध्यम से पंप किया, और तरल को फिल्टर के माध्यम से धकेलने के लिए दबाव लगाया। जैसे-जैसे प्रक्रिया जारी रही, उन्होंने तरल को धीरे-धीरे केंद्रित किया, पानी और एसिड को हटाते हुए धातु आयनों को पीछे रखा। उन्होंने विभिन्न सांद्रता स्तरों पर झिल्ली द्वारा धातुओं को रोकने की क्षमता और एसिड के गुजरने की मात्रा की निगरानी की।

कोबाल्ट युक्त कचरे के लिए, झिल्ली ने असाधारण प्रदर्शन किया। जैसे ही उन्होंने तरल को बीस गुना केंद्रित किया, शेष तरल में कोबाल्ट की मात्रा कुछ सौ मिलीग्राम प्रति लीटर से बढ़कर चार ग्राम प्रति लीटर से अधिक हो गई। झिल्ली ने कोबाल्ट आयनों के अस्सी प्रतिशत से अधिक को रोक दिया, जिसका अर्थ है कि अधिकांश धातु केंद्रित तरल में पीछे रह गई। इसने एल्युमीनियम और मैग्नीशियम जैसी अन्य अशुद्धियों को भी रोक लिया। साथ ही, एसिड झिल्ली के माध्यम से उच्च दक्षता के साथ गुजर गया। जैसे-जैसे धातुओं की सांद्रता बढ़ी, झिल्ली ने एसिड को गुजरने दिया, जिससे कुल तरल आयतन में नब्बे प्रतिशत से अधिक सल्फ्यूरिक एसिड की प्राप्ति हुई। शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि दबाव बदलने से प्रक्रिया पर क्या प्रभाव पड़ता है। उन्होंने पाया कि दबाव बढ़ाने से अधिक तरल फिल्टर के माध्यम से धकेला गया, जिसने वास्तव में झिल्ली को धातुओं को और भी बेहतर तरीके से रोकने में मदद की क्योंकि इससे फिल्टर की सतह पर कणों का जमाव कम हुआ।

निकल युक्त कचरे के परिणाम भी समान रूप से उत्साहजनक थे, हालांकि स्थितियाँ थोड़ी भिन्न थीं। निकल वाला कचरा अधिक अम्लीय था, जिसने झिल्ली के कार्य करने के तरीके को थोड़ा बदल दिया। इस अत्यधिक अम्लीय वातावरण में, झिल्ली ने पृथक्करण के लिए विद्युत बलों के बजाय कणों के भौतिक आकार पर अधिक भरोसा किया। इसके बावजूद, झिल्ली ने पूरी प्रक्रिया के दौरान नब्बे प्रतिशत से अधिक निकल आयनों को रोक लिया। तरल को पच्चीस गुना केंद्रित करके, उन्होंने निकल की सांद्रता को एक ग्राम प्रति लीटर से कम से बढ़ाकर लगभग सत्रह ग्राम प्रति लीटर कर दिया। एसिड की प्राप्ति भी उच्च रही, जिसमें नब्बे प्रतिशत से अधिक सल्फ्यूरिक एसिड झिल्ली के माध्यम से गुजर गया। उच्च अम्लता के कारण, कोबाल्ट कचरे की तुलना में तरल फिल्टर के माध्यम से धीमी गति से चला, लेकिन पृथक्करण स्थिर और प्रभावी बना रहा।

यह सिद्ध करने के लिए कि बरामद किया गया एसिड वास्तव में उपयोगी था, शोधकर्ताओं ने इसे फिर से काम में लिया। उन्होंने झिल्ली से निकले साफ एसिड को लिया और इसका उपयोग कार्बन नैनोट्यूब के नए बैचों को शुद्ध करने के लिए किया। उन्होंने इस पुनर्चक्रित (रिसाइकल्ड) एसिड की तुलना ताजे, बिल्कुल नए सल्फ्यूरिक एसिड से की। परिणाम लगभग समान थे। जब उन्होंने कोबाल्ट आधारित ट्यूबों को साफ करने के लिए पुनर्चक्रित एसिड का उपयोग किया, तो बचे हुए धातु की मात्रा छह प्रतिशत से अधिक से घटकर आधा प्रतिशत से भी कम रह गई। निकल-आधारित ट्यूबों के लिए, धातु अवशेष सात प्रतिशत से अधिक से गिरकर आधा प्रतिशत रह गया। ताजे एसिड ने लगभग उतना ही कम अवशेष प्राप्त किया। इससे पुष्टि हुई कि धातुओं से अलग होने के बाद, एसिड औद्योगिक सफाई प्रक्रिया के लिए नए एसिड जितना ही प्रभावी था।

अध्ययन ने पुनर्चक्रित एसिड से साफ किए गए कार्बन नैनोट्यूब की भौतिक संरचना का भी परीक्षण किया। शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने शुद्धिकरण से पहले और बाद में ट्यूबों का अवलोकन किया। सफाई से पहले, ट्यूब धातु उत्प्रेरक के काले धब्बों से ढके हुए थे। पुनर्चक्रित एसिड से उपचारित किए जाने के बाद, वे धब्बे गायब हो गए, जिससे ट्यूब साफ और चिकने दिखाई दिए। ट्यूबों की अपनी संरचना बरकरार रही, जिससे टूट या क्षति का कोई संकेत नहीं मिला। इसने प्रदर्शित किया कि पुनर्चक्रण प्रक्रिया ने उस मूल्यवान सामग्री को नुकसान नहीं पहुँचाया जिसे वह साफ करने के लिए बनाई गई थी।

यह दृष्टिकोण एसिड के कचरे को उदासीन करने की पारंपरिक विधि की तुलना में एक महत्वपूर्ण सुधार प्रदान करता है। पुरानी विधि में एसिड को उदासीन करने के लिए बड़ी मात्रा में रसायनों को मिलाने की आवश्यकता होती है, जिससे जहरीले स्लज की एक विशाल मात्रा पैदा होती है जिसे निपटाना पड़ता है, और यह एसिड और धातुओं के मूल्य को नष्ट कर देता है। नई विधि घटकों को अलग करने के लिए एक भौतिक अवरोध का उपयोग करती है, जिससे अतिरिक्त रसायनों की आवश्यकता नहीं होती और खतरनाक स्लज के निर्माण को रोका जा सकता है। यह कारखाने को एसिड को एक बंद लूप (क्लोज्ड लूप) में रखने की अनुमति देता है, जिससे इसका बार-बार उपयोग किया जा सके, जबकि कीमती धातुओं को पुनः प्राप्ति के लिए केंद्रित किया जा सके। हालांकि शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि उन्होंने यह परीक्षण नहीं किया कि झिल्ली लंबे समय तक निरंतर उपयोग में कैसे टिकेगी, फिर भी उनके निष्कर्षों से पता चलता है कि यह प्रक्रिया इन विशिष्ट औद्योगिक कचरे के उपचार के लिए तकनीकी रूप से व्यवहार्य और प्रभावी है। यह अध्ययन ऊर्जा भंडारण की अगली पीढ़ी के लिए आवश्यक सामग्रियों के उत्पादन के लिए एक अधिक टिकाऊ तरीके की ओर एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है।