आज, संयुक्त राज्य अमेरिका में लगभग 1,800,000 एकड़ जमीन का उपयोग लैंडफिल अपशिष्ट निपटान के लिए किया जाता है। वॉल्यूम के संदर्भ में, अमेरिका ने अकेले 2018 में 290 मिलियन टन से अधिक ठोस कचरे से अधिक उत्पन्न किया, लगभग 235,000 ओलंपिक आकार के स्विमिंग पूल के बराबर राशि, औसत ठोस अपशिष्ट घनत्व आधा टन प्रति क्यूबिक मीटर मानती है।
मोटे तौर पर 9% – लगभग 26 मिलियन टन – इस कचरे का लोहे और स्टील से बना है। ये विभिन्न नागरिक बुनियादी ढांचा परियोजनाओं में उपयोग किए जाने वाले एक स्थिर बाजार मूल्य वाले संसाधन हैं। पर्यावरण इंजीनियरों की एक टीम के रूप में, हम जानना चाहते थे कि क्या हम आयरन-ऑक्साइड नैनोकणों का उत्पादन करने के लिए लोहे से भरपूर कचरे का उपयोग कर सकते हैं-जल प्रदूषण से निपटने और इंजीनियरिंग हार्डवेयर के निर्माण के लिए एक उपयोगी उपकरण।
सभी नैनोकणों के बारे में
आयरन ऑक्साइड नैनोकणों में लोहे और ऑक्सीजन परमाणु होते हैं और, उनके आकार के कारण, वे अद्वितीय भौतिक और रासायनिक गुणों का प्रदर्शन करते हैं। वे बहुत छोटे होते हैं, आमतौर पर नैनोस्केल में-एक मीटर का एक बिलियन-व्यास में।
लोहे के ऑक्साइड नैनोकणों को हमने संश्लेषित किया था जो एक विशिष्ट समूह था जिसे मैग्नेटाइट और मैगमाइट कहा जाता था। प्रारंभिक अध्ययनों से पता चला है कि इस समूह में नैनोकणों से दवाओं को शरीर के दाहिने हिस्से में लाने में मदद मिल सकती है, इलेक्ट्रिक वाहनों में बैटरी को अधिक कुशल बनाया जा सकता है और विषाक्त गैस का पता लगाने के लिए सेंसर में सुधार किया जा सकता है, साथ ही ध्वनि और गति भी।
क्योंकि ये नैनोकण लोहे से बने होते हैं, वे दोनों चुंबकीय और स्थिर होते हैं। उनका छोटा आकार उन्हें उनकी मात्रा के सापेक्ष एक बड़ा सतह क्षेत्र देता है, जिससे उन्हें पानी में प्रदूषकों को हड़पने की अनुमति मिलती है। इसके अतिरिक्त, उनकी चुंबकीय प्रकृति उन्हें बेहद छोटे और पतले विद्युत घटकों के निर्माण के लिए आदर्श बनाती है।
हमारे काम में, हम अपशिष्ट पदार्थों का उपयोग करके उन्हें उत्पादन करने के लिए एक नया तरीका खोजना चाहते थे। आरएससी सस्टेनेबिलिटी जर्नल में प्रकाशित हमारे नवीनतम अध्ययन में, हमने एक्सपायर्ड ओवर-द-काउंटर आयरन सप्लीमेंट्स से आयरन ऑक्साइड नैनोकणों को संश्लेषित करने के लिए एक पर्यावरण के अनुकूल विधि विकसित की। यह दृष्टिकोण न केवल त्याग किए गए उत्पादों को मूल्य देता है, बल्कि उत्पादन की अधिक टिकाऊ और परिपत्र विधि का भी समर्थन करता है।
अनुसंधान प्रक्रिया
अपने अध्ययन का संचालन करने के लिए, हमने इन चुंबकीय नैनोकणों का उत्पादन करने के लिए हाइड्रोथर्मल कार्बोज़ाइजेशन नामक एक विधि का उपयोग किया। हम एक स्थानीय स्वास्थ्य देखभाल केंद्र से लोहे की एक बड़ी मात्रा को समाप्त करने में सक्षम थे।
हाइड्रोथर्मल कार्बोज़ाइजेशन प्रक्रिया आपके रसोई में आपके द्वारा किए गए प्रेशर कुकर के प्रकार के टर्बोचार्ज्ड संस्करण का उपयोग करती है। हमारे नुस्खा के लिए, हमने एक विशेष दबाव रिएक्टर में एक्सपायर्ड आयरन सप्लीमेंट्स और पानी में से प्रत्येक में 20 ग्राम को जोड़ा। हमने तब छह से 12 घंटे के लिए 527 डिग्री फ़ारेनहाइट (275 डिग्री सेल्सियस) पर मिश्रण को पकाया। इस तीव्र तापमान और दबाव के तहत, पूरक टूट गए, जो छोटे- 10- से 11-नैनोमीटर- कणों का उत्पादन करता था।
अंतिम उत्पाद में एक ठोस चारकोल जैसी सामग्री शामिल थी जिसे हाइड्रोचार कहा जाता है, जो उत्पाद का लगभग 20% से 22% था। हाइड्रोचार में लोहे के ऑक्साइड नैनोपार्टिकल्स और ग्रेफाइट शामिल थे, एक कार्बन-समृद्ध सामग्री जिसने हाइड्रोचार को अपने चारकोल-जैसे लुक दिया। बाकी गैस और एक अंधेरे, टार्फ़ लिक्विड हाइड्रोचार से अलग हो गए।
लोहे के ऑक्साइड नैनोकणों को बनाने के लिए उपयोग की जाने वाली एकमात्र विधि हाइड्रोथर्मल कार्बोज़ाइजेशन नहीं है। अन्य पारंपरिक तरीके हैं जैसे कि कोपरेसिपेशन, जिसमें ठोस बनाने के लिए रसायनों को मिलाना शामिल है। एक अन्य विधि पायरोलिसिस है, जहां ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में सामग्री को गर्म किया जाता है। और अंत में, गैसीकरण, जो ऑक्सीजन की उपस्थिति में सामग्री को गर्म करता है।
इन विधियों में आमतौर पर उच्च ऊर्जा इनपुट की आवश्यकता होती है, लगभग 1,292 से 1,832 डिग्री फ़ारेनहाइट (700 से 1,000 सी), या कठोर नमक रसायनों की आवश्यकता होती है। इसके विपरीत, हाइड्रोथर्मल कार्बोनाइजेशन, हमारे द्वारा उपयोग की जाने वाली विधि, पानी-आधारित है और कम तापमान पर हो सकती है।
हमने अन्य तरीकों से अपने हाइड्रोथर्मल कार्बोनेशन प्रक्रिया के ऊर्जा उपयोग की तुलना की और पाया कि इसका सबसे कम पर्यावरणीय प्रभाव था।
प्रदूषित पानी से लेकर साफ करने तक
हमारे द्वारा बनाए गए आयरन ऑक्साइड नैनोकणों में जल उपचार के लिए बहुत उपयोगी है। वे विशेष रूप से तेल और भारी धातुओं जैसे कि सीसा, कैडमियम, जस्ता और क्रोमियम को पानी से हटाने में अच्छे हैं। ये प्रदूषक हैं जो कैंसर सहित गंभीर स्वास्थ्य मुद्दों का कारण बनते हैं।
आप या तो उन्हें प्रदूषित पानी के साथ मिला सकते हैं या पानी को उनके माध्यम से गुजरने की अनुमति दे सकते हैं, एक सामान्य घरेलू फिल्टर के समान।
उनके प्रदर्शन का परीक्षण करने के लिए, हमने अपने लोहे के ऑक्साइड नैनोकणों को अपशिष्ट जल के नमूनों में मिलाया, जिसमें मेथिलीन ब्लू डाई, कपड़ा और निर्माण अपशिष्ट जल में एक आम प्रदूषक था। हमने पाया कि उन्होंने 95% से अधिक डाई को हटा दिया है, और क्योंकि कण चुंबकीय हैं, हम उन्हें एक चुंबक का उपयोग करके उपचारित पानी से हटा सकते हैं ताकि वे पानी को दूषित न करें।
पानी में प्रदूषकों के प्रकार के आधार पर, आयरन ऑक्साइड नैनोकणों को कभी -कभी फिर से गर्म होने के बाद पुन: उपयोग किया जा सकता है।
आगे बढ़ते हुए
हमने इस अध्ययन के लिए लैब में इन नैनोकणों की एक छोटी मात्रा का उत्पादन किया। हालांकि, बड़ी मात्रा में लोहे के कचरे को लैंडफिल में भेजा जाता है। इनमें स्टील कीचड़ और धातु स्क्रैप जैसी सामग्री शामिल हैं। तो सिद्धांत रूप में, भविष्य में इनमें से कई नैनोकणों का उत्पादन किया जा सकता है। यदि बड़ी पर्याप्त मात्रा में उत्पादित किया जाता है, तो बड़े पानी और अपशिष्ट जल के निस्पंदन सिस्टम इन कणों का उपयोग पानी की बहुत मात्रा का इलाज करने के लिए कर सकते हैं।
लेकिन लैंडफिल कचरा सभी एक प्रकार का कचरा नहीं है। आयरन-रिच कचरे को अन्य सामग्रियों के साथ दूषित किया जा सकता है, जिससे इसकी सोर्सिंग, छंटनी और पुनर्चक्रण दोनों संसाधन-गहन और महंगा हो सकता है। इस तकनीक को लगातार बढ़ाने के लिए, शोधकर्ताओं को पहले इन चुनौतियों को दूर करने की आवश्यकता होगी।
उज्ज्वल पक्ष पर, अर्थशास्त्री भविष्यवाणी करते हैं कि आयरन ऑक्साइड नैनोकणों सहित वैकल्पिक धातुएं भविष्य की प्रौद्योगिकियों और कृत्रिम बुद्धिमत्ता के लिए उत्पादन की मांगों को पूरा करने में मदद कर सकती हैं। इन नैनोकणों का उपयोग उच्च-प्रदर्शन कंप्यूटिंग घटकों के निर्माण के लिए किया जा सकता है। इन घटकों में हमारी रोजमर्रा की तकनीकों में पाए जाने वाले चुंबकीय मेमोरी स्टोरेज और अर्धचालक शामिल हैं।
वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले महत्वपूर्ण धातुओं के बहुत सारे महंगे हैं, दुर्लभ या भूवैज्ञानिक रूप से संवेदनशील हैं: कोबाल्ट, निकल और लिथियम। नतीजतन, हमारी टीम यह पता लगाने के लिए शुरू कर रही है कि इस हाइड्रोथर्मल कार्बोनेशन-आधारित विधि को कैसे स्केल किया जा सकता है और अन्य प्रकार के अपशिष्ट पदार्थों पर लागू किया जा सकता है।
हमारा दीर्घकालिक लक्ष्य भविष्य के नवाचारों के लिए पर्यावरणीय चुनौतियों और सामग्री की मांगों को संबोधित करते हुए स्थायी नैनोकणों के उत्पादन के लिए टूल किट का विस्तार करना है।
(अहमद इब्राहिम यूनुस पर्यावरण इंजीनियरिंग, जॉर्जिया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में पीएचडी उम्मीदवार हैं। जो फ्रैंक बोजमैन III सिविल एंड एनवायरनमेंटल इंजीनियरिंग एंड पब्लिक पॉलिसी, जॉर्जिया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी के सहायक प्रोफेसर हैं)
(यह लेख एक क्रिएटिव कॉमन्स लाइसेंस के तहत वार्तालाप से पुनर्प्रकाशित है। मूल लेख यहां पढ़ें:
प्रकाशित – 10 अगस्त, 2025 06:31 PM IST