Congo red photocatalytic degradation on the copper nanoparticles deposited on carriers

औद्योगिक रंगों से होने वाला जल प्रदूषण एक जिद्दी समस्या है। कपड़ा कारखाने, कागज मिलें और प्लास्टिक निर्माता नदियों और झीलों में बड़ी मात्रा में रंगीन अपशिष्ट जल छोड़ते हैं। ये सिंथेटिक रंग टिकाऊ और लंबे समय तक टिकने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, जो उन्हें बैक्टीरिया या सूर्य के प्रकाश द्वारा प्राकृतिक रूप से टूटने के प्रति प्रतिरोधी बनाता है। जब वे पर्यावरण में बने रहते हैं, तो वे पानी के नीचे के पौधों तक सूरज की रोशनी पहुँचने से रोकते हैं और मछलियों एवं अन्य जलीय जीवों के लिए जहरीले हो सकते हैं। पारंपरिक जल उपचार विधियाँ, जैसे कि छानना या कणों को एक साथ जोड़ने के लिए रसायनों का उपयोग करना, अक्सर इन जटिल रंग के अणुओं को पूरी तरह से हटाने में विफल रहती हैं, विशेष रूप से तब जब पानी अत्यधिक प्रदूषित हो। वैज्ञानिक एक अधिक उन्नत दृष्टिकोण की ओर मुड़े हैं जिसे फोटोकैटलिसिस (photocatalysis) कहा जाता है। यह प्रक्रिया प्रकाश का उपयोग करके एक विशेष सामग्री को सक्रिय करती है जो एक रासायनिक त्वरक (accelerator) की तरह कार्य करती है, जिससे हानिकारक प्रदूषकों को पानी और कार्बन डाइऑक्साइड जैसे हानिरहित पदार्थों में तोड़ दिया जाता है। हालांकि टाइटेनियम डाइऑक्साइड सबसे आम सामग्री है जिसका उपयोग किया जाता है, शोधकर्ता लगातार सस्ते, अधिक सुलभ विकल्पों की तलाश कर रहे हैं जो दृश्य प्रकाश (visible light) के तहत भी उतना ही अच्छा काम कर सकें।

यूक्रेन में शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक विशिष्ट, किफायती विकल्प का परीक्षण करने का निर्णय लिया: कॉपर नैनोपार्टिकल्स (तांबे के नैनोकण)। तांबा प्लैटिनम या सोने जैसी कीमती धातुओं की तुलना में बहुत सस्ता है, फिर भी इसने अन्य सामग्रियों को प्रदूषकों को तोड़ने में मदद करने में आशाजनक प्रदर्शन दिखाया है। चुनौती यह है कि तांबे का प्रभावी ढंग से उपयोग कैसे किया जाए। यदि तांबे के कण बहुत अधिक आपस में जुड़ जाते हैं, तो वे अपना सतह क्षेत्र खो देते हैं और कम सक्रिय हो जाते हैं। इसे रोकने के लिए, वैज्ञानिकों ने इन छोटे तांबे के कणों को दो अलग-अलग ठोस वाहकों (carriers), या स्पंजों पर लगाया, जो धातु को थामे रखते हैं और उसे फैला देते हैं। उन्होंने इस काम के लिए दो बहुत ही अलग सामग्रियां चुनीं: गामा एलुमिना, एक सिंथेटिक सिरेमिक जिसमें सूक्ष्म सुरंगों का जाल है, और प्राकृतिक ज़ियोलाइट (zeolite), एक छिद्रयुक्त खनिज जो पृथ्वी में पाया जाता है। लक्ष्य यह देखना था कि कौन सा वाहक 'कांगो रेड' नामक एक सामान्य लाल रंग को नष्ट करने में तांबे को बेहतर ढंग से काम करने में मदद करता है।

शोधकर्ताओं ने वाहकों को तैयार करने के साथ शुरुआत की। उन्होंने कार्पेथियन पहाड़ों के एक विशिष्ट भंडार से प्राकृतिक ज़ियोलाइट चट्टान ली और अशुद्धियों को साफ करने और इसके आंतरिक चैनलों को चौड़ा करने के लिए इसे एक रासायनिक घोल से उपचारित किया। उन्होंने एक मानक औद्योगिक गामा एलुमिना का भी उपयोग किया। इसके बाद दोनों सामग्रियों को कॉपर नाइट्रेट युक्त घोल में भिगोया गया। कॉपर आयनों को ठोस धातु में बदलने के लिए, उन्होंने एक सामान्य अपचायक (reducing agent) के रूप में एस्कॉर्बिक एसिड मिलाया और मिश्रण को गर्म किया। इस प्रक्रिया ने लगभग दो से तीन नैनोमीटर आकार के नन्हे तांबे के कण बनाए, जो इतने छोटे हैं कि एक मिलियन कण मानव बाल की चौड़ाई के बराबर होंगे। टीम ने इन नए उत्प्रेरकों (catalysts) का परीक्षण शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी और एक्स-रे मशीनों का उपयोग करके किया ताकि वे देख सकें कि उन्होंने वास्तव में क्या बनाया है।

छवियों ने दोनों नमूनों के बीच स्पष्ट अंतर प्रकट किया। गामा एलुमिना पर, तांबे के कण समान रूप से फैले हुए थे, जो सामग्री के कई छोटे छिद्रों के भीतर स्थित थे। एलुमिना उत्प्रेरक की सतह अत्यधिक छिद्रयुक्त थी, जो प्रतिक्रिया होने के लिए एक विशाल क्षेत्र प्रदान करती थी। इसके विपरीत, प्राकृतिक ज़ियोलाइट पर तांबा अलग तरह से व्यवहार कर रहा था। चूंकि ज़ियोलाइट के आंतरिक चैनल इतने संकीले थे कि कॉपर के पूर्ववर्ती (precursors) आसानी से अंदर नहीं जा सके, इसलिए धातु के कण मुख्य रूप से बाहरी सतह पर बने। इससे बड़े गुच्छों, या एग्रोलोमेरेट्स (agglomerates) का निर्माण हुआ, जिनमें से कुछ का आकार तीस नैनोमीटर तक पहुँच गया। एक्स-रे विश्लेषण से पता चला कि दोनों नमूनों में तांबे के कणों की एक विशिष्ट संरचना थी: शुद्ध धात्विक तांबे का एक कोर (core) जिसके चारों ओर कॉपर ऑक्साइड की एक पतली परत थी। यह कोर-शेल व्यवस्था तब आम होती है जब तांबा हवा के संपर्क में आता है, क्योंकि धातु ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करके एक सुरक्षात्मक परत बनाती है।

जब टीम ने कांगो रेड के घोल पर पराबैंगनी (ultraviolet) प्रकाश डालकर उत्प्रेरकों का परीक्षण किया, तो परिणाम स्पष्ट थे। गामा एलुमिना के साथ बना उत्प्रेरक अत्यधिक प्रभावी था, जिसने रंग के घोल से केवल कुछ ही मिनटों में लगभग सारा रंग हटा दिया, चाहे वह रंग कितना भी केंद्रित क्यों न हो। ज़ियोलाइट-आधारित उत्प्रेरक भी काम कर रहा था, लेकिन यह कम कुशल था। यह रंग के हल्के घोल को साफ कर सकता था, लेकिन जैसे-जैसे रंग की सांद्रता बढ़ती गई, इसका प्रदर्शन काफी गिर गया। शोधकर्ताओं ने पाया कि ज़ियोलाइट उत्प्रेकर को एलुमिना जितना प्रभावी बनाने के लिए, उन्हें बहुत अधिक मात्रा में सामग्री का उपयोग करना पड़ा।

प्रदर्शन में अंतर वाहकों की भौतिक संरचना के कारण आया। गामा एलुमिना ने बहुत बड़ा सतह क्षेत्र प्रदान किया और इसमें छिद्रों का एक ऐसा नेटवर्क था जो रंग के अणुओं को तांबे के कणों तक गहराई में पहुँचने के लिए सही आकार का था। ज़ियोलाइट, उपचार के बाद भी, बड़े रंग के अणुओं को अपनी संरचना में प्रवेश करने देने में संघर्ष कर रहा था, जिससे प्रतिक्रिया केवल बाहरी सतह तक ही सीमित रह गई। इसके अलावा, ज़ियोलाइट पर मौजूद तांबे के बड़े गुच्छे, एलुमिना पर मौजूद छोटे और अच्छी तरह से फैले हुए कणों की तुलना में कम सक्रिय थे। अध्ययन से पता चलता है कि हालांकि प्राकृतिक ज़ियोलाइट का उपयोग कॉपर फोटोकैटलिस्ट के आधार के रूप में किया जा सकता है, लेकिन इसकी प्रभावशीलता इसके छिद्रों के आकार और धातु के बड़े क्लस्टर बनाने की प्रवृत्ति से सीमित है। गामा एलुमिना वाहक, अपनी बेहतर सरंध्रता (porosity) और छोटे, अधिक सक्रिय कणों को थामने की क्षमता के साथ, इन जिद्दी औद्योगिक रंगों को तोड़ने के लिए अधिक प्रभावी विकल्प साबित हुआ।