ઝેરીમાંથી મૂલ્યવાન: ગંદા પાણીની સફાઈ સાથે મૂલ્યવાન સંસાધનોની પુનઃપ્રાપ્તિ

આપણે સામાન્ય રીતે ભાંગેલા કેમેરા લેન્સ, ઈયરફોન કે જૂનો ફોન જે કામ કરતો બંધ થઈ ગયો છે અને રિપેરિંગ ન થઈ શકે તો તેને ફેંકી દઈએ છીએ, કારણ કે બિન-કાર્યક્ષમ હોવા પર તે નકામા લાગે છે. જો કે, આ વસ્તુઓ પોતાની અંદર રેર અર્થ એલિમેન્ટ્સ (REEs) છુપાવે છે જે અન્ય વસ્તુઓની સાથે ચુંબક, સુપરકન્ડક્ટિવિટી, ઓપ્ટિક્સ અને બેટરીમાં ઉપયોગ ધરાવે છે. જ્યારે આવી વસ્તુઓ પાણીનો ભાગ બને છે, ત્યારે REEs પુનઃપ્રાપ્ત કરવું મુશ્કેલ બની જાય છે.

બીજી તરફ, ઔદ્યોગિક પ્રવૃત્તિઓ તે જ પાણીમાં સીસું (લેડ), કેડમિયમ, નિકલ અને મેંગેનીઝ જેવી ઝેરી ધાતુઓ ઉમેરી શકે છે. હવે પડકાર માત્ર પાણીમાંથી આ અનિચ્છનીય, હાનિકારક ધાતુના પ્રદૂષકોને કેવી રીતે દૂર કરવાનો નથી, પરંતુ મૂલ્યવાન REEs ને અસરકારક રીતે પુનઃપ્રાપ્ત કરવાનો પણ છે.

જો એક જ વ્યૂહરચના બંને મુદ્દાઓને ઉકેલવામાં મદદ કરી શકે તો? આ દિશામાં એક પ્રયાસ તરીકે, ઈન્ડિયન ઈન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ ટેકનોલોજી ગાંધીનગર (IITGN), યુનિવર્સિટી ઓફ કેમ્બ્રિજ અને યુનિવર્સિટી ઓફ બર્મિહામના સંશોધકોએ મેટલ-ઓર્ગેનિક ફ્રેમવર્ક (MOFs) નામના અતિ છિદ્રાળુ પદાર્થોના વર્ગનો ઉપયોગ કરીને સંયુક્ત રીતે એક પ્રોટોકોલ વિકસાવ્યો છે. તેઓ પાણીમાંથી ઝેરી ધાતુઓને અસરકારક રીતે પકડી શકે છે તેમજ કચરાના પ્રવાહમાંથી મૂલ્યવાન REEs પુનઃપ્રાપ્ત કરી શકે છે. 'નેચર પ્રોટોકોલ્સ'માં પ્રકાશિત થયેલ આ અભ્યાસ વાસ્તવિક દુનિયાની પરિસ્થિતિઓના સંદર્ભમાં વોટર રેમેડિએશન તેમજ સર્ક્યુલર રિસોર્સ એપ્લિકેશન્સમાં MOFs ને ડિઝાઇન કરવા, વર્ગીકૃત કરવા અને તૈનાત કરવા માટેનું માળખું પૂરૂ પાડે છે.

એક બુદ્ધિશાળી ફિલ્ટર

MOFને એક અણુસ્તરીય માછીમારીની જાળ તરીકે વિચારો. તેના અસંખ્ય છિદ્રો વિશાળ પકડવાની સપાટી બનાવે છે, જ્યારે ખાસ રીતે તૈયાર કરાયેલી રાસાયણિક જગ્યાઓ ચોક્કસ ધાતુઓને પકડી રાખવા માટે હૂકની જેમ કાર્ય કરે છે. સંશોધકોએ આ જાળને એવી રીતે તૈયાર કરી છે કે તે તેમને જરૂરી ધાતુઓને પ્રાથમિકતા સાથે પકડી શકે. આ એવું જ છે જેમ કે સેંકડો અલગ-અલગ રંગના કાચા ગોળાઓ ધરાવતા એક ડબ્બામાંથી માત્ર લાલ અને લીલા રંગના ગોળાઓને ઓળખીને અલગથી પસંદ કરવા.

કેટલાક MOFs પ્રતિ ગ્રામ 7,000 ચોરસ મીટર સુધીની આંતરિક સપાટી ધરાવી શકે છે. તે સંખ્યાને પરિપ્રેક્ષ્યમાં મૂકવા માટે, એક ગ્રામ પાવડરની નાની ચપટી જેવો દેખાઈ શકે છે, પરંતુ તેની અંદર તે આખા ફૂટબોલ મેદાન સાથે સરખાવી શકાય તેવી સપાટી ધરાવે છે!

આ વિશાળ આંતરિક સપાટી MOFs ને એડસોર્બન્ટ્સ (શોષક) તરીકે આકર્ષક બનાવે છે. સરળ શબ્દોમાં કહીએ તો, તેઓ તેમની સપાટી પર પદાર્થોને અટકાવતી સામગ્રી તરીકે કાર્ય કરે છે. જ્યારે પ્રેસિપિટેશન, કોગ્યુલેશન અને ફ્લોક્યુલેશન જેવી પરંપરાગત પદ્ધતિઓ જળ શુદ્ધીકરણ માટે ઉપયોગી થઈ શકે છે, તે સામાન્ય રીતે pH પ્રત્યે સંવેદનશીલ હોય છે, જેમાં શ્રેષ્ઠ નિકાલ સાંકડી સીમાઓ પૂરતો મર્યાદિત હોય છે.

વ્યાપકપણે કહીએ તો, પ્રેસિપિટેશન ભારે અશુદ્ધિઓને નીચે બેસી જવા દે છે, કોગ્યુલેશન અશુદ્ધિઓને એકબીજા સાથે ભેગી કરે છે, અને ફ્લોક્યુલેશન નાના અશુદ્ધિના સમૂહોને અથડાવીને મોટા ઝૂમખામાં ફેરવે છે જેને અલગ કરી શકાય છે.

આ પદ્ધતિઓ માટે મોટા પાયે માળખાકીય સુવિધાઓની પણ જરૂર પડે છે અને તે મોટા પ્રમાણમાં સ્લજ ઉત્પન્ન કરે છે, જે એક પ્રકારનો જાડો, કાદવ જેવો કચરો છે અને ત્યારબાદ તેને સંભાળવો તથા તેનો નિકાલ કરવો પડે છે. અન્ય પ્રક્રિયાઓ, જેમ કે ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ટ્રીટમેન્ટ,માં આર્થિક અને પર્યાવરણીય ખર્ચ વધુ હોય છે.

 

એડસોર્પ્શન એક અસરકારક વિકલ્પ પૂરો પાડે છે, જે ચલાવવામાં સરળ છે, વ્યાપક ઉપયોગિતા ધરાવે છે અને દૂષકોની ઓછી સાંદ્રતા હોય ત્યારે પણ અસરકારક રહે છે. આ પદ્ધતિમાં લક્ષિત ધાતુઓની ખાસ રીતે તૈયાર કરાયેલી સપાટી પ્રત્યેની આકર્ષણની માત્રા પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરવામાં આવે છે. તેથી, તે અત્યંત પસંદગીયુક્ત ફિલ્ટરની જેમ 90–99% જેટલા દૂષકોને દૂર કરવાની ક્ષમતા ધરાવે છે! એડસોર્પ્શન આધારિત પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરવાથી ગૌણ દૂષકો ઉત્પન્ન થતા ટાળી શકાય છે અને સામગ્રીને ફરીથી ઉપયોગ માટે પુનઃસક્રિય તથા પુનઃઉપયોગ કરી શકાય છે. આ ક્ષેત્રમાં, ધાતુઓને પકડવા અને પુનઃપ્રાપ્ત કરવા માટેની અસાધારણ ડિઝાઇન લવચીકતાને કારણે MOFs વિશેષ મહત્વ ધરાવે છે.

પ્રયોગશાળાથી પર વાસ્તવિક દુનિયામાં

ઔદ્યોગિક પ્રવાહી કચરો (ઈફ્લુઅન્ટ્સ), જે ઉત્પાદન, ખાણકામ અને રાસાયણિક પ્રક્રિયા સુવિધાઓમાંથી જળાશયોમાં છોડવામાં આવતી નકામી પેદાશો છે, તેમાં માત્ર એક નહીં પણ ઘણી ધાતુઓ હોય છે, સાથે જ જંતુનાશકો, ડિટર્જન્ટ્સ અને ઓર્ગેનિક પ્રદૂષકો જેવા અન્ય પ્રદૂષકો પણ હોય છે. પ્રોટોકોલ એક પદ્ધતિનું વર્ણન કરે છે જેનો ઉપયોગ નિયંત્રિત પરિસ્થિતિઓ હેઠળ ધાતુઓની પુનઃપ્રાપ્તિ અને નિકાલ માટે એડસોર્બન્ટ તરીકે MOFs નો ઉપયોગ કરવા માટે કરી શકાય છે.

પ્રોટોકોલમાં જટિલ વાસ્તવિક દુનિયાના દૃશ્યોમાં પરીક્ષણ સામેલ છે. ઉદાહરણ તરીકે, આલ્કલાઇન (pH ~ 8.5), ગંદુ અને ઓગળેલા ઘન અશુદ્ધિઓમાં ઊંચું હોય તેવા ગંદા પાણીનો ઉપયોગ કરીને નિકાલ અને પુનઃપ્રાપ્તિનું મૂલ્યાંકન કરવામાં આવ્યું હતું. કૃત્રિમ દરિયાઈ પાણી અને ઈ-કચરામાંથી મેળવેલા નમૂનાઓમાં પણ આ પદ્ધતિનું પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું. આ અભ્યાસમાં વિકસાવવામાં આવેલ વર્કફ્લો સમાન એડસોર્બન્ટ્સ અને અન્ય પ્રદૂષકો પર લાગુ કરી શકાય છે.

“મારા માટે, સૌથી રસપ્રદ પાસું એ હતું કે અમારા પ્રોટોકોલમાં MOF એ નોંધપાત્ર એડસોર્પ્શન ક્ષમતાઓ દર્શાવી,” ધ્રુવ મેનન (BTech, IITGN) એ જણાવ્યું. તેમણે ઉમેર્યું, “પ્રયોગો દર્શાવે છે કે કોપર-આધારિત MOF ના એક ગ્રામમાં લગભગ અડધો ગ્રામ સીસું (લેડ) (490 mg/g), અને લગભગ પા ગ્રામ કેડમિયમ (264 mg/g) અને મેંગેનીઝ (226 mg/g) પકડી શકાય છે. રેર-અર્થ એલિમેન્ટ્સ માટે, તે સામગ્રીના પ્રતિ ગ્રામ લગભગ એક તૃતીયાંશ ગ્રામ (351 mg/g નિઓડિમિયમ, 343 mg/g યિટ્રિયમ, 335 mg/g ડિસ્પ્રોસિયમ, 337 mg/g ટર્બિયમ અને 345 mg/g યુરોપિયમ) પકડી શકે છે.” શ્રી મેનન હાલમાં યુનિવર્સિટી ઓફ કેમ્બ્રિજના કેમિકલ એન્જિનિયરિંગ એન્ડ બાયોટેકનોલોજી વિભાગમાં ડોક્ટરલ વિદ્યાર્થી છે.

ટકાઉપણું તરફ

પ્રો. સુપર્બ મિશ્રા દ્વારા સમજાવ્યા મુજબ, “એવા અભિગમોની જરૂરિયાત છે જે એકસાથે અનેક પર્યાવરણીય પડકારોનો ઉકેલ લાવી શકે. અમારું ધ્યાન પર્યાવરણીય સુધારણા એપ્લિકેશન્સ માટે ઉપયોગ કરવા માટે MOFs ના પ્રદર્શનને એન્જિનિયરિંગ કરવા પર હતું. તેમ છતાં, એ સમજવું મહત્વપૂર્ણ છે કે નિયંત્રિત બેચ પ્રયોગો જટિલ ગંદા પાણીમાં વર્તણૂકની સંપૂર્ણ અગાઉથી આગાહી કરી શકતા નથી. મોટા પાયે ફેબ્રિકેશન, ખર્ચ વિશ્લેષણ, MOF લાઈફ-સાયકલ અસેસમેન્ટ અને રેગ્યુલેટરી ટેસ્ટિંગ જેવા પરિબળોને જોવાની જરૂરિયાત છે,” ડૉ. મિશ્રા IITGN ના મટિરિયલ્સ એન્જિનિયરિંગ વિભાગમાં જિજ્ઞાબેન પટેલ ચેર પ્રોફેસર અને બાયો નેનો મટિરિયલ્સ ગ્રૂપના પ્રિન્સિપલ ઇન્વેસ્ટિગેટર છે.

આ અભ્યાસમાં સામેલ અન્ય ટીમ સભ્યોમાં પ્રથમેશ ભદાણે (PhD, IITGN; પોસ્ટડોક્ટરલ ફેલો, IIT બોમ્બે), પ્રિયા મહાતો (ડોક્ટરલ વિદ્યાર્થી, IITGN), પ્રતીક ગોયલ (PhD, IITGN), ડૉ. આઈસોલ્ટ લિંચ (પ્રોફેસર, સ્કૂલ ઓફ જિયોગ્રાફી, અર્થ એન્ડ એન્વાયર્નમેન્ટલ સાયન્સિસ, યુનિવર્સિટી ઓફ બર્મિહામ), અને ડૉ. સ્વરૂપ ચક્રવર્તી (NERC ફેલો, યુનિવર્સિટી ઓફ બર્મિહામ) નો સમાવેશ થાય છે.

આ સંશોધન નેશનલ ક્રિટિકલ મિનરલ મિશનના ભાગરૂપે ભારત સરકારની ક્રિટિકલ મિનરલ રિસાયક્લિંગ ઈન્સેન્ટિવ સ્કીમ સાથે સુસંગત છે, જેથી ઈ-કચરો અને બેટરી કચરાના વધતા જથ્થા સહિત ગૌણ સ્ત્રોતોમાંથી ક્રિટિકલ મિનરલ્સને અલગ કરવા અને ઉત્પન્ન કરવા માટે સ્થાનિક રિસાયક્લિંગ ક્ષમતા વિકસાવી શકાય. IIT ગાંધીનગર IIT (ISM) ધનબાદ ખાતે હોસ્ટ કરાયેલ સેન્ટર ઓફ એક્સેલન્સ ઓન નેશનલ ક્રિટિકલ મિનરલ્સ મિશનમાં ભાગીદાર છે. આ તારણો યુકે-ઈન્ડિયા ટેકનોલોજી સિક્યોરિટી ઈનિશિયેટિવ સાથે પણ સુસંગત છે, જેમાં નકામા કચરાના પ્રવાહોમાંથી ક્રિટિકલ મિનરલ્સના ટકાઉ નિષ્કર્ષણ અને પુનઃપ્રાપ્તિ પર સહયોગ સામેલ છે. તેઓ સંયુક્ત રાષ્ટ્રના સતત વિકાસ લક્ષ્યાંકો (SDGs) 6, 9 અને 12 સાથે પણ મેળ ખાય છે, જે સ્વચ્છ પાણી અને સેનિટેશન, ઉદ્યોગ અને નવીનતા, અને જવાબદાર વપરાશ અને ઉત્પાદન પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે.

*****

સોશિયલ મીડિયા પર અમને ફોલો કરો :  @PIBAhmedabad    /pibahmedabad1964    /pibahmedabad  pibahmedabad1964[at]gmail[dot]com

(રીલીઝ આઈડી: 2316844) મુલાકાતી સંખ્યા : 48