Experimental Study on the Effects of Humidity, Carbon Dioxide, and Carbon Monoxide on Pressure Swing Adsorption Oxygen Production and Their Removal
यह अध्ययन प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित करता है कि जबकि उच्च आर्द्रता, कार्बन डाइऑक्साइड और कार्बन मोनोऑक्साइड प्रेशर स्विंग एडसॉर्प्शन ऑक्सीजन जनरेटर के प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से कम करते हैं, इन प्रभावों को नमी के लिए सक्रिय एल्युमिना, CO₂ के लिए सिलिका जेल और CO हटाने के लिए हॉपकालाइट सहित विशिष्ट रणनीतियों के माध्यम से प्रभावी ढंग से कम किया जा सकता है।
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ऊंचाई वाले टनल और खानों के गहरे, संकीर्ण स्थानों में, हवा एक दोहरी चुनौती पेश करती है। वातावरण स्वाभाविक रूप से विरल होता है, जो उन श्रमिकों के लिए कम ऑक्सीजन प्रदान करता है जिन्हें इसे सांस के रूप में लेना होता है, जबकि निर्माण के लिए आवश्यक मशीनरी और विस्फोट कार्बन मोनोऑक्साइड और कार्बन डाइऑक्साइड जैसी हानिकारक गैसों को बाहर निकालते हैं। श्रमिकों को सुरक्षित रखने के लिए, इंजीनियर ऐसी मशीनों पर भरोसा करते हैं जो आसपास की हवा से सीधे ऑक्सीजन खींचती हैं। ये मशीनें, जिन्हें प्रेशर स्विंग एडसॉर्प्शन सिस्टम (pressure swing adsorption systems) कहा जाता है, एक विशेष चट्टान जैसे पदार्थ का उपयोग करके काम करती हैं जो एक स्पंज की तरह कार्य करता है। जब दबाव के तहत इस पदार्थ के माध्यम से हवा को धकेला जाता है, तो यह स्पंज नाइट्रोजन को पकड़ लेता है, जिससे ऑक्सीजन को एकत्र करने के लिए गुजरने का रास्ता मिल जाता है। हालांकि, यह प्रक्रिया नाजुक है। यदि हवा बहुत गीली है, या यदि इसमें बहुत अधिक कार्बन डाइऑक्साइड या कार्बन डाइऑक्साइड है, तो स्पंज अवरुद्ध हो जाता है या भ्रमित हो जाता है, और ऑक्सीजन की गुणवत्ता गिर जाती है। सबसे खराब मामलों में, उत्पादित ऑक्सीजन सांस लेने के लिए असुरक्षित हो सकती है या मशीन पूरी तरह से काम करना बंद कर सकती है।
शोधकर्ताओं की एक टीम यह समझने के लिए आगे बढ़ी कि ये अशुद्धियाँ वास्तव में इस प्रक्रिया को कैसे खराब करती हैं और, अधिक महत्वपूर्ण रूप से, इसे कैसे ठीक किया जाए। उन्होंने वास्तविक दुनिया की इंजीनियरिंग परियोजनाओं में पाई जाने वाली कठोर परिस्थितियों की नकल करने के लिए एक परीक्षण प्रणाली बनाई, विशेष रूप से यह देखा कि तब क्या होता है जब हवा आर्द्र (नम) हो, कार्बन डाइऑक्साइड से भरी हो, या कार्बन मोनोऑक्साइड से दूषित हो। उनका लक्ष्य केवल समस्या को देखना नहीं था, बल्कि उन सामग्रियों की विशिष्ट परतों का परीक्षण करना था जो ढाल के रूप में कार्य कर सकें, जिससे मुख्य ऑक्सीजन बनाने वाले स्पंज को नुकसान से बचाया जा सके। वे एक ऐसी मशीन के लिए सही नुस्खा खोजना चाहते थे जो बिना विफल हुए एक नम, गंदी सुरंग में विश्वसनीय रूप से चल सके।
शोधकर्ताओं ने पहले नमी की ओर ध्यान दिया, जो भूमिगत वातावरण में एक आम समस्या है। उन्होंने पाया कि जब हवा सूखी थी, तो मशीन पूरी तरह से काम कर रही थी, जिससे ऑक्सीजन की एक निरंतर धारा बन रही थी। लेकिन जैसे ही उन्होंने नमी को एक गीली सुरंग के स्तर तक बढ़ाया, ऑक्सीजन की गुणवत्ता गिरने लगी। सबसे अधिक आर्द्र स्थितियों में, जो उन्होंने टेस्ट की थीं, केवल डेढ़ घंटे के संचालन के बाद ऑक्सीजन की सांद्रता काफी कम हो गई। जल वाष्प एक लालची प्रतिस्पर्धी की तरह काम कर रहा था, जो विशेष स्पंज सामग्री से चिपक गया और उन स्थानों को अवरुद्ध कर दिया जहाँ नाइट्रोजन को पकड़ा जाना चाहिए था। इसे हल करने के लिए, टीम ने मशीन के निचले हिस्से में एक अलग सामग्री, एक्टिवेटेड एलुमिना (activated alumina), की एक परत जोड़ी। यह सामग्री पानी सोखने में उत्कृष्ट है। उन्होंने मुख्य ऑक्सीजन बनाने वाली सामग्री के मुकाबले इस पानी सोखने वाली परत की विभिन्न मात्राओं का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि यदि वे पानी सोखने वाली सामग्री और मुख्य स्पंज की समान मात्रा का उपयोग करते हैं, तो मशीन बिना किसी गिरावट के बहुत आर्द्र हवा को संभाल सकती है। पानी को मुख्य संवेदनशील भाग तक पहुँचने से पहले ही पकड़ लिया गया और रोक दिया गया।
इसके बाद, उन्होंने कार्बन डाइऑक्साइड की जांच की, जो टनल में जमा होने वाली एक अन्य गैस है। जब उन्होंने मशीन में जाने वाली हवा में कार्बन डाइऑक्साइड मिलाई, तो ऑक्सीजन का उत्पादन घटने लगा। कार्बन डाइऑक्साइड, पानी की तरह ही, स्पंज से चिपक रही थी और नाइट्रोजन के लिए निर्धारित जगह घेर रही थी। शोधकर्ताओं ने पाया कि हवा मशीन के माध्यम से जितनी तेजी से चलती, समस्या उतनी ही गंभीर होती जाती। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने मुख्य स्पंज के सामने सिलिका जेल (silica gel) की एक परत जोड़ी, जो कार्बन डाइऑक्साइड को रोकने के लिए जानी जाती है। जब उन्होंने इस गार्ड लेयर की थोड़ी मात्रा का उपयोग किया, तो मशीन उच्च गति पर संघर्ष करती रही। हालांकि, जब उन्होंने सिलिका जेल की मात्रा बढ़ाकर एक पर्याप्त परत कर दी, तो मशीन स्थिर रही। सिलिका जेल ने एक फिल्टर के रूप में कार्य किया, कार्बन डाइऑक्साइड को मुख्य स्पंज तक पहुँचने से पहले ही हटा दिया, जिससे यह सुनिश्चित हुआ कि हवा में गैस होने के बावजूद ऑक्सीजन शुद्ध बनी रहे।
अंतिम और सबसे खतरनाक चुनौती कार्बन मोनोऑक्साइड थी, जो एक रंगहीन, गंधहीन गैस है जो बहुत कम मात्रा में भी घातक होती है। शोधकर्ताओं ने पाया कि मुख्य स्पंज इस गैस को कुछ हद तक पकड़ सकता है, लेकिन पूरी तरह से नहीं। अंतिम ऑक्सीजन प्रवाह में हमेशा थोड़ी मात्रा रिस जाती है, जो मानव श्वसन के लिए असुरक्षित होगी। इस शेष जहर को हटाने के लिए, उन्होंने एक उत्प्रेरक (catalyst) पेश किया, जो कार्बन मोनोऑक्साइड को हानिरहित कार्बन डाइऑक्साइड में बदलने में मदद करता है। उन्होंने इस उत्प्रेरक को कहाँ रखना है और कितनी मात्रा में उपयोग करना है, इसका परीक्षण किया। उन्होंने सीखा कि उत्प्रेरक को काम करने के लिए एक शुष्क वातावरण की आवश्यकता होती है; यदि हवा बहुत गीली है, तो उत्प्रेरक कार्य करना बंद कर देगा। एक बार जब उन्होंने सुनिश्चित कर लिया कि हवा सूखी है, तो उन्होंने पाया कि उत्प्रेरक को प्रक्रिया के बिल्कुल अंत में, उस टैंक में रखना सबसे अच्छा काम करता है जहाँ ऑक्सीजन संग्रहीत की जाती है। इस स्थान पर, हवा धीरे चलती है और ऑक्सीजन से भरपूर होती है, जिससे उत्प्रेरक को गैस को साफ करने के लिए आदर्श स्थितियाँ मिलती हैं। उत्प्रेरक की सही मात्रा और सही स्थान के साथ, वे कार्बन मोनोऑक्साइड को इतनी कम मात्रा तक कम करने में सक्षम थे कि उसे पहचाना भी नहीं जा सकता था, जिससे ऑक्सीजन सांस लेने के लिए सुरक्षित हो गई।
अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि इन सुरक्षात्मक सामग्रियों को सावधानीपूर्वक परतों में व्यवस्थित करके, एक ऑक्सीजन जनरेटर बनाना संभव है जो ऊँचाई वाले टनल की गंदी, गीली और खतरनाक हवा में जीवित रह सके। कुंजी न केवल उस मशीन की है जो ऑक्सीजन बनाती है, बल्कि उन गार्ड्स की भी है जिन्हें उसके सामने रखा जाता है। नमी से निपटने के लिए पानी सोखने वाली सामग्री की एक मोटी परत, उत्सर्जन गैसों को संभालने के लिए कार्बन डाइऑक्साइड को रोकने वाली एक पर्याप्त सामग्री की परत, और अंत में घातक कार्बन मोनोऑक्साइड को साफ करने वाला एक सूखा, अच्छी तरह से रखा गया उत्प्रेरक। ये निष्कर्ष इंजीनियरों को सुरक्षित रहने वाले सिस्टम डिजाइन करने के लिए एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करते हैं, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि श्रमिक जो हवा लेते हैं वह उतनी ही शुद्ध हो जितनी उन्हें अपना काम करने के लिए ऑक्सीजन की आवश्यकता है।
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