Sustainable Separation of Actinides and Rare Earth Elements Using Sorbitol-Oleic Acid Derived Bio-Based Solvents: Synthesis and Extraction Performance

आधुनिक दुनिया में, उन सामग्रियों के क्षेत्र में एक शांत क्रांति हो रही है जो हमारी तकनीक को शक्ति प्रदान करती हैं। इलेक्ट्रिक मोटरों में चुंबकों से लेकर हमारे उपकरणों की स्क्रीन तक, दुर्लभ मृदा (रेयर अर्थ) तत्वों का एक समूह अनिवार्य है। ये तत्व अक्सर पृथ्वी की पपड़ी में आपस में मिले हुए पाए जाते हैं, और चूंकि वे रासायनिक रूप से इतने समान होते हैं, इसलिए उन्हें अलग करना एक कठिन और जटिल काम है। इसे करने के लिए, वैज्ञानिक 'सॉल्वेंट एक्सट्रैक्शन' (विलायक निष्कर्षण) नामक प्रक्रिया का उपयोग करते हैं, जो मूल रूप से धातुओं के मिश्रण को एक विशेष तरल पदार्थ से धोने का एक तरीका है जो विशिष्ट तत्वों को पकड़ लेता है और अन्य को पीछे छोड़ देता है। दशकों से, इस धुलाई के लिए उपयोग किए जाने वाले तरल पदार्थ पेट्रोलियम, यानी एक जीवाश्म ईंधन से बनाए गए हैं। ये पारंपरिक रसायन अच्छी तरह से काम करते हैं, लेकिन वे विषाक्त, ज्वलनशील और जीवन के अंत में सुरक्षित रूप से निपटान करने में कठिन होते हैं, जिससे उसी उद्योग पर भारी पर्यावरणीय प्रभाव पड़ता है जो एक स्वच्छ भविष्य बनाने की कोशिश कर रहे हैं।

तुर्की के एगे विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने प्रकृति से बने एक नए प्रकार के वाशिंग लिक्विड बनाकर इस समस्या को हल करने का प्रयास किया है। पेट्रोलियम के बजाय, उन्होंने सोर्बिटोल (एक शर्करा अल्कोहल जो फलों में पाया जाता है) और ओलिक एसिड (जैतून के तेल में पाया जाने वाला एक सामान्य वसा) की ओर रुख किया। इन दोनों प्राकृतिक सामग्रियों को एक साथ प्रतिक्रिया कराकर, उन्होंने एक जैव-आधारित विलायक (बायो-बेस्ड सॉल्वेंट) बनाया जो मूल्यवान धातुओं को रेडियोधर्मी तत्वों से अलग कर सकता है। लक्ष्य न केवल एक हरित विकल्प खोजना था, बल्कि यह देखना भी था कि क्या खाद्य-ग्रेड की सामग्रियों से बना पदार्थ थोरियम और यूरेनियम—परमाणु ऊर्जा में उपयोग किए जाने वाले तत्व—को हरित तकनीक के लिए आवश्यक दुर्लभ मृदा तत्वों से अलग करने के नाजुक कार्य को कर सकता है। परिणाम दर्शाते हैं कि हालांकि ये नए बायो-सॉल्वेंट पुराने रासायनिक दिग्गजों जितने शक्तिशाली नहीं हैं, फिर भी वे एक विशिष्ट प्रकार के पृथक्करण के लिए एक आशाजनक, टिकाऊ मार्ग प्रदान करते हैं जो स्वच्छ ऊर्जा के भविष्य के लिए महत्वपूर्ण है।

शोधकर्ताओं ने शर्करा अल्कोहल और फैटी एसिड को एक कांच के रिएक्टर में मिलाकर शुरुआत की, और मिश्रण को उच्च तापमान पर गर्म किया ताकि उन्हें आपस में जुड़ने के लिए प्रोत्साहित किया जा सके। जैसे-जैसे प्रतिक्रिया आगे बढ़ी, उन्होंने रासायनिक परिवर्तनों की निगरानी की, और देखा कि कैसे तेल के अम्लीय हिस्से 'एस्टर बॉन्ड्स' (एक प्रकार का रासायनिक बंधन) में परिवर्तित हो गए, जो इस नए तरल को उसके अद्वितीय गुण प्रदान करते हैं। उन्होंने इस नए विलायक के दो संस्करण बनाए, जिनमें से एक में अन्य की तुलना में सामग्री का थोड़ा अलग अनुपात था, और उन्हें SOA2 और SOA3 नाम दिया। यह पुष्टि करने के लिए कि उन्होंने सफलतापूर्वक नया पदार्थ बना लिया है, उन्होंने आणविक संरचना को देखने के लिए उन्नत इमेजिंग उपकरणों का उपयोग किया, जिससे मूल शर्करा या तेल में मौजूद न रहने वाले नए एस्टर बॉन्ड्स के स्पष्ट प्रमाण मिले। उन्होंने तरल की अम्लता को भी मापा, और नोट किया कि प्रतिक्रिया पूरी होने के साथ अम्लता में भारी गिरावट आई, जो संकेत था कि परिवर्तन सफल रहा।

एक बार जब नए विलायक तैयार हो गए, तो टीम ने प्रयोगों की एक श्रृंखला में उनकी परीक्षा ली, जिसे यह देखने के लिए डिज़ाइन किया गया था कि वे पानी आधारित घोल से विशिष्ट धातुओं को कितनी अच्छी तरह निकाल सकते हैं। उन्होंने थोरियम, यूरेनियम और कई दुर्लभ मृदा तत्वों का एक मिश्रण बनाया, जो सभी एक ही सांद्रता में थे, और इसे अपने नए बायो-सॉल्वेंट्स के साथ मिलाया। उन्होंने सावधानीपूर्वक पानी की अम्लता और तरल पदार्थों को मिलने दिए गए समय को समायोजित किया, और यह देखते रहे कि कौन सी धातुएं नए विलायक में कूद जाती हैं और कौन सी पीछे रह जाती हैं। परिणाम बहुत उत्साहजनक थे। कम अम्लता स्तरों पर, नए विलायक धातुओं को पकड़ने में संघर्ष करते हैं, क्योंकि पानी में मौजूद हाइड्रोजन आयन बहुत मजबूती से प्रतिस्पर्धा करते हैं। हालांकि, जैसे ही उन्होंने pH को मध्यम स्तर तक बढ़ाया, विलायक प्रभावी ढंग से काम करने लगे।

सबसे उल्लेखनीय खोज इन बायो-सॉल्वेंट्स की रेडियोधर्मी एक्टिनाइड्स और दुर्लभ मृदा तत्वों के बीच अंतर करने की क्षमता थी। जब स्थितियां अनुकूलित की गईं, तो नए विलायक अत्यधिक दक्षता के साथ मिश्रण से थोरियम को बाहर निकालने में सक्षम थे, जिससे दुर्लभ मृदा तत्व पानी में ही रह गए। सबसे अच्छे मामलों में से एक में, नया विलायक 1,800 से अधिक के चयनात्मकता कारक (सेलेक्टिविटी फैक्टर) के साथ थोरियम को दुर्लभ मृदा तत्वों से अलग करने में सक्षम था, जिसका अर्थ है कि वह दुर्लभ मृदा तत्वों की तुलना में थोरियम को पकड़ने की बहुत अधिक संभावना रखता था। यह एक महत्वपूर्ण उपलब्धि है क्योंकि इन दो समूहों के तत्वों को एक दूसरे से अलग पहचानना अत्यंत कठिन होता है। विलायक ने यूरेनियम के प्रति दुर्लभ मृदा तत्वों की तुलना में मजबूत प्राथमिकता भी दिखाई, हालांकि यह थोरियम से यूरेनियम को अलग करने में कम प्रभावी था।

यह समझने के लिए कि उनके नए विलायक उद्योग के मानक के मुकाबले कैसे खड़े हैं, शोधकर्ताओं ने उनकी तुलना सियानेक्स (Cyanex) और D2EHPA जैसे दो प्रसिद्ध रासायनिक एक्सट्रैक्टेंट्स से की, जो पेट्रोलियम से बने हैं। तुलना ने एक स्पष्ट समझौता दिखाया। पारंपरिक पेट्रोलियम-आधारित रसायन बहुत अधिक आक्रामक थे; वे प्रकार की परवाह किए बिना मिश्रण में लगभग हर धातु को पकड़ लेते थे, और ऐसा बहुत तेज़ी से करते थे। यह उच्च क्षमता कुछ औद्योगिक कार्यों के लिए उपयोगी है, लेकिन यह एक धातु को दूसरी धातु से अलग करना कठिन बना देती है। इसके विपरीत, नए जैव-आधारित विलायक अधिक चयनात्मक थे। वे कुल मिलाकर उतनी अधिक धातुओं को नहीं पकड़ते थे, लेकिन वे सही धातुओं को चुनने में बहुत बेहतर थे। वे एक कोमल फिल्टर की तरह काम करते थे, जिससे रेडियोधर्मी तत्वों को गुजरने दिया जाता था जबकि दुर्लभ मृदा तत्वों को रोक लिया जाता था, या परिस्थितियों के आधार पर इसके विपरीत।

शोधकर्ताओं ने प्रस्तावित किया कि यह अंतर इस बात पर निर्भर करता है कि रसायन धातुओं के साथ कैसे परस्पर क्रिया करते हैं। पारंपरिक पेट्रोलियम रसायन शक्तिशाली चुंबक की तरह कार्य करते हैं, जो धातु आयनों के साथ घनिष्ठ, आयनिक बंधन बनाते हैं। यह मजबूत पकड़ उन्हें लगभग किसी भी चीज़ को खींच लेने की अनुमति देती है, लेकिन यह उन्हें चयनात्मक होने से रोकती है। हालांकि, नए बायो-आधारित विलायक एक नरम तंत्र के माध्यम से कार्य करते हैं। वे धातु आयनों को घेर लेते हैं और उन जल अणुओं को बदल देते हैं जो आमतौर पर उनसे चिपके रहते हैं, यह एक ऐसी प्रक्रिया है जो कमजोर बलों द्वारा संचालित होती है। चूंकि यह पकड़ कोमल है, इसलिए विलायक उन धातुओं को खींचने की कम संभावना रखता है जो पानी के साथ मजबूती से बंधे होते हैं, जो कि कई दुर्लभ मृदा तत्वों के मामले में होता है। धातुओं को पकड़ने का यह सूक्ष्म अंतर ही उन्हें चयनात्मक होने की क्षमता देता है, भले ही इसका मतलब यह हो कि वे एक बार में बहुत अधिक धातु नहीं रख सकते।

जब टीम ने देखा कि उनके नए विलायक वैज्ञानिक साहित्य में रिपोर्ट किए गए अन्य जैव-आधारित या न्यूट्रल विलायकों के मुकाबले कैसे प्रदर्शन करते हैं, तो उनका प्रदर्शन प्रतिस्पर्धी था। उनके द्वारा प्राप्त किए गए पृथक्करण कारक अन्य उन्नत, गैर-पेट्रोलियम विकल्पों के बराबर थे, जो सुझाव देते हैं कि ये चीनी और तेल के डेरिवेटिव इस क्षेत्र में एक व्यवहार्य दावेदार हैं। हालांकि, अध्ययन ने एक सीमा को भी रेखांकित किया। जबकि नए विलायक चयनात्मक होने में उत्कृष्ट थे, उनकी धातु को धारण करने की समग्र क्षमता पेट्रोलियम-आधारित रसायनों की तुलना में कम थी। इसका अर्थ यह है कि बड़े पैमाने पर औद्योगिक उपयोग के लिए, समान मात्रा में सामग्री को संसाधित करने के लिए नए विलायक की अधिक मात्रा की आवश्यकता हो सकती है, या प्रक्रिया को केंद्रित समाधानों को अलग तरह से संभालने के लिए समायोजित करने की आवश्यकता हो सकती है।

अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि हालांकि ये सोर्बिटोल-ओलिक एसिड विलायक हर औद्योगिक आवश्यकता के लिए पूर्ण प्रतिस्थापन नहीं हैं, फिर भी वे टिकाऊ धातु शोधन की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम हैं। वे जीवाश्म ईंधन पर निर्भर रहे बिना और समान स्तर का विषाक्त कचरा उत्पन्न किए बिना महत्वपूर्ण सामग्रियों को अलग करने का एक तरीका प्रदान करते हैं। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि इस तकनीक का भविष्य इन बायो-सॉल्वेंट्स को उनकी चयनात्मकता खोए बिना उनकी क्षमता बढ़ाने के लिए परिष्कृत करने में निहित है। एक संभावित मार्ग यह है कि इन बायो-सॉल्वेंट्स के पॉलीमर संस्करणों को डिजाइन किया जाए जो जैव-सामग्री की कोमल, चयनात्मक प्रकृति को मजबूत बाइंडिंग समूहों के साथ जोड़ते हैं। तब तक, यह कार्य सिद्ध करता है कि नवीकरणीय संसाधनों से उच्च-प्रदर्शन वाले पृथक्करण उपकरण बनाना संभव है, जो हमारे आधुनिक विश्व को शक्ति देने वाले उद्योगों के लिए एक स्वच्छ विकल्प प्रदान करता है।