Cellulose-Based Superabsorbent Hydrogels for Hygiene Applications: A Study of Absorbency Properties
यह अध्ययन स्वच्छता अनुप्रयोगों के लिए साइट्रिक एसिड और BTCA के साथ क्रॉसलिंक्ड पूर्णतः बायो-आधारित सेलुलोज और स्टार्च हाइड्रो जेल विकसित करता है, जो यह प्रदर्शित करता है कि जबकि अनुकूलित फॉर्मूलेशन भार के तहत आशाजनक अवशोषण और प्रतिधारण क्षमताएं प्राप्त करते हैं, आकारिकी (morphology) को संशोधित करने पर सूजन गतिकी (swelling kinetics) और यांत्रिक शक्ति के बीच एक मौलिक समझौता मौजूद रहता है।
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हर दिन, लाखों लोग शारीरिक तरल पदार्थों के प्रबंधन के लिए डायपर और इनकंटिनेंस पैड जैसे डिस्पोजेबल स्वच्छता उत्पादों पर निर्भर रहते हैं। उनकी प्रभावशीलता का रहस्य एक विशेष सामग्री में छिपा है जिसे सुपरएब्जॉर्बेंट पॉलीमर कहा जाता है, जो एक ऐसा पदार्थ है जो अपने वजन से कई गुना अधिक तरल को सोख सकता है और दबाने पर भी उसे मजबूती से थामे रख सकता है। दशकों से, उद्योग इस सामग्री के सिंथेटिक संस्करणों पर निर्भर रहा है जो पेट्रोलियम-आधारित प्लास्टिक से बने होते हैं। हालांकि ये बहुत अच्छी तरह से काम करते हैं, लेकिन ये प्रकृति में विघटित नहीं होते हैं, जिससे लैंडफिल में गैर-अपघटनीय कचरे का एक बढ़ता ढेर जमा होता है और माइक्रोप्लास्टिक प्रदूषण में योगदान मिलता है। इस पर्यावरणीय लागत ने एक बेहतर विकल्प की खोज को प्रेरित किया है: पूरी तरह से नवीकरणीय, जैव-अपघटनीय स्रोतों जैसे पौधों से बनी एक सुपरएब्जॉर्बेंट सामग्री, जो बिना किसी स्थायी पदचिह्न के समान प्रदर्शन कर सके।
नॉर्थ कैरोलिना स्टेट यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं ने, एक प्रमुख स्वच्छता उत्पाद निर्माता के सहयोग से, सेलुलोज और स्टार्च (जो पादप कोशिका भित्तियों के निर्माण खंड हैं) का उपयोग करके ऐसी सामग्री बनाने का लक्ष्य रखा। उनका लक्ष्य इन प्राकृतिक रेशों को एक जेल में बदलना था जो मूत्र जैसे नमकीन तरल पदार्थों को सोख सके, और साथ ही दबाव में तरल को थामे रखने के लिए पर्याप्त मजबूत बना रहे। उन्होंने पाया कि केवल पादप रेशों को पानी के साथ मिलाने से काम नहीं चलेगा; उन्हें इन रेशों को सुरक्षित, प्राकृतिक अम्लों का उपयोग करके रासायनिक रूप से आपस में जोड़ना होगा ताकि एक मजबूत, त्रि-आयामी नेटवर्क बनाया जा सके। इन जोड़ने वाले अम्लों के प्रकार और मात्रा को सावधानीपूर्वक समायोजित करके, वे इस सामग्री के गुणों को ट्यून करने में सक्षम हुए, जिससे उन्हें एक ऐसा विशिष्ट संतुलन मिला जहाँ जेल तरल के साथ फूल तो सकता था, लेकिन दबाव पड़ने पर भी अपना आकार बनाए रख सकता था।
टीम ने दो मुख्य प्रकार के पादप-आधारित पॉलिमर का परीक्षण किया: एक जो लकड़ी की लुगदी (वुड पल्प) से प्राप्त था और दूसरा मक्का स्टार्च से। उन्होंने इन पॉलिमर को दो अलग-अलग प्राकृतिक अम्लों का उपयोग करके आपस में जोड़ा: सिट्रिक एसिड, जो नींबू में पाया जाने वाला वही यौगिक है, और एक अधिक शक्तिशाली अम्ल जिसे ब्यूटेनटेट्राकार्बोक्सिलिक एसिड कहा जाता है। इस प्रक्रिया में मिश्रण को गर्म करना शामिल था ताकि रासायनिक बंधन बन सकें जो पादप रेशों की लंबी कड़ियों के बीच छोटे पुलों की तरह कार्य करें। शोधकर्ताओं ने पाया कि उपयोग किए गए एसिड की मात्रा अत्यंत महत्वपूर्ण थी। यदि वे बहुत कम एसिड का उपयोग करते, तो परिणामी जेल बहुत कमजोर होता और गीला होने पर घुल जाता या ढह जाता। यदि वे बहुत अधिक एसिड का उपयोग करते, तो नेटवर्क इतना कठोर और तंग हो जाता कि वह पानी को धारण करने के लिए फैल नहीं पाता। 'स्वीट स्पॉट' (इष्टतम बिंदु) सिट्रिक एसिड की बहुत कम सांद्रता थी, जिसने एक ऐसा नेटवर्क बनाया जो काफी हदता तक फूलने के लिए पर्याप्त लचीला था, लेकिन विरूपण का विरोध करने के लिए पर्याप्त मजबूत भी था।
अपने सबसे सफल फॉर्मूलेशन में, शोधकर्ताओं ने सेलुलोज को हाइड्रोक्सीएथिल सेलुलोज के एक विशिष्ट प्रकार के साथ मिलाया और इसे थोड़ी मात्रा में सिट्रिक एसिड के साथ जोड़ा। इस मिश्रण ने प्रभावशाली प्रदर्शन किया, जिसने निरंतर दबाव के तहत (जिसे लोड के तहत अवशोषण कहा जाता है) सूखे पदार्थ के प्रत्येक ग्राम के लिए नौ ग्राम नमकीन तरल को अवशोषित किया। इसने एक सेंट्रीफ्यूज (अपकेंद्रित्र) में घुमाने के बाद भी प्रति ग्राम बाईस ग्राम तरल को बरकरार रखा, जो बच्चे के डायपर पर बैठने के दबाव का अनुकरण करता है। ये संख्याएँ, हालांकि वर्तमान में बाजार में उपलब्ध सर्वश्रेष्ठ सिंथेटिक प्लास्टिक से कम हैं, फिर भी एक ऐसी सामग्री के लिए एक महत्वपूर्ण उपलब्धि का प्रतिनिधित्व करती हैं जो पूरी तरह से प्राकृतिक, जैव-अपघटनीय सामग्रियों से बनी है। अध्ययन से पता चला कि इस सफलता की कुंजी केवल रासायनिक संरचना नहीं थी, बल्कि नेटवर्क की भौतिक संरचना थी। इष्टतम जेल में एक विशिष्ट कठोरता और मेश साइज (जाली का आकार), या क्रॉस-लिंक्स के बीच की दूरी थी, जिसने इसे बिना बहुत नरम या बहुत सख्त हुए प्रभावी ढंग से पानी को थामे रखने की अनुमति दी।
शोधकर्ताओं ने यह भी पता लगाया कि सामग्री के भौतिक आकार ने इसके प्रदर्शन को कैसे प्रभावित किया। उन्होंने पाया कि इन पादप-आधारित जेलों की प्राकृतिक, सघन संरचना के कारण वे सिंथेटिक प्लास्टिक की तुलना में अपेक्षाकृत धीरे तरल सोखते हैं। इसे तेज करने के लिए, उन्होंने 'सॉल्वेंट एक्सचेंज' नामक एक तकनीक का परीक्षण किया, जहाँ उन्होंने सुखाने से पहले गीले जेल में पानी को अल्कोहल से बदल दिया। इस प्रक्रिया ने एक अधिक छिद्रपूर्ण, स्पंज जैसी संरचना बनाई जिसमें सामग्री के भीतर बड़े छेद थे। परिणामस्वरूप, उपचारित जेल ने तरल को बहुत तेजी से अवशोषित किया, जिससे वह वाणिज्यिक सिंथेटिक उत्पादों के समान समय सीमा में अपनी अधिकतम क्षमता तक पहुँच गया। हालाँकि, इस गति के साथ एक समझौता भी था। अधिक छिद्रपूर्ण संरचना यांत्रिक रूप से कमजोर थी, जिससे सामग्री की दबाव में तरल को थामे रखने की क्षमता कम हो गई। दबाने पर, छिद्रपूर्ण जेल आसानी से ढह गया, जिससे उसका 'लोड के तहत अवशोषण' नौ ग्राम प्रति ग्राम से गिरकर केवल तीन ग्राम रह गया।
यह निष्कर्ष इन जैव-आधारित सामग्रियों को डिजाइन करने में एक मौलिक चुनौती को उजागर करता है। अध्ययन बताता है कि एक जेल कितनी तेजी से तरल सोखता है और वह दबाव पड़ने पर उस तरल को कितनी अच्छी तरह थामे रखता है, इसके बीच एक अंतर्निहित तनाव है। आज के सिंथेटिक प्लास्टिक ने जटिल रासायनिक इंजीनियरिंग के माध्यम से इस संतुलन में महारत हासिल कर ली है, लेकिन प्राकृतिक सामग्रियां एक गुण के लिए दूसरे का त्याग किए बिना इसकी नकल करने के लिए संघर्ष करती हैं। शोधकर्ताओं ने अपने द्वारा उपयोग किए गए दो अलग-अलग अम्लों के मिश्रण का भी परीक्षण किया, इस उम्मीद में कि उन्हें मिलाने से दोनों दुनिया का सर्वश्रेष्ठ मिल सकता है। हालांकि इस मिश्रण ने तरल प्रतिधारण के कुछ पहलुओं में सुधार किया, लेकिन यह एकल-एसिड प्रणालियों की सीमाओं को पूरी तरह से दूर नहीं कर सका। अध्ययन का निष्कर्ष है कि हालांकि पूरी तरह से जैव-आधारित अवशोषक अभी सिंथेटिक उत्पादों को पूरी तरह से बदलने के लिए तैयार नहीं हैं, फिर भी वे एक व्यवहार्य और आशाजनक विकल्प हैं। रासायनिक लिंक और जेल की भौतिक संरचना को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, टिकाऊ स्वच्छता उत्पाद बनाना संभव है जो अच्छा प्रदर्शन करते हैं, जो दैनिक स्वच्छता आवश्यकताओं के पर्यावरणीय प्रभाव को कम करने की दिशा में एक मार्ग प्रदान करते हैं।
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