वैज्ञानिकों ने छोटे-छोटे छेद बनाए जो पानी को साफ करना कम भयानक बना सकते हैं

CSIR-सेंट्रल सॉल्ट एंड मरीन केमिकल्स रिसर्च इंस्टीट्यूट (CSMCRI), भारतीय प्रौद्योगिकी संस्थान गांधीनगर (IITGN), सिंगापुर की नानयांग टेक्नोलॉजिकल यूनिवर्सिटी और एस एन बोस नेशनल सेंटर फॉर बेसिक साइंसेज के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार की अत्यधिक सटीक निस्पंदन झिल्ली विकसित की है। जर्नल ऑफ द अमेरिकन केमिकल सोसाइटी में प्रकाशित अध्ययन एक ऐसी तकनीक का वर्णन करता है जो उद्योगों को ऊर्जा उपयोग कम करने और पानी के पुन: उपयोग को नाटकीय रूप से बढ़ाने में मदद कर सकती है।

कई औद्योगिक गतिविधियाँ विभिन्न पदार्थों को एक-दूसरे से अलग करने पर निर्भर करती हैं। ये पृथक्करण प्रक्रियाएँ दवा शुद्धिकरण, कपड़ा रंग उपचार और खाद्य उत्पादन जैसे कार्यों के लिए आवश्यक हैं। फिर भी वे विनिर्माण में सबसे अधिक ऊर्जा-गहन कार्यों में से हैं, जो वैश्विक औद्योगिक ऊर्जा खपत का लगभग 40% से 50% हिस्सा हैं। अधिकांश सुविधाएँ अभी भी आसवन और वाष्पीकरण जैसे पारंपरिक तरीकों पर निर्भर हैं। प्रभावी होते हुए भी, इन विधियों में बड़ी मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होती है और ये कार्बन उत्सर्जन में महत्वपूर्ण योगदान देती हैं। झिल्ली-आधारित निस्पंदन को आम तौर पर एक स्वच्छ विकल्प माना जाता है, लेकिन पारंपरिक पॉलिमर झिल्लियों में अक्सर असमान आकार के छिद्र होते हैं। समय के साथ, वे छिद्र आकार बदल सकते हैं या खराब हो सकते हैं, जिससे प्रदर्शन कम हो जाता है और मांग वाले औद्योगिक वातावरण में उनकी उपयोगिता सीमित हो जाती है।

"इन सीमाओं को दूर करने के लिए, हमने अति-चयनात्मक, क्रिस्टलीय झिल्लियों का एक नया वर्ग तैयार किया जिसे 'POMbranes' कहा जाता है, जिसमें लगभग एक नैनोमीटर चौड़े छिद्र होते हैं, जो मानव बाल से हज़ारों गुना पतले होते हैं," CSMCRI की वरिष्ठ वैज्ञानिक डॉ. शिल्पी कुशवाहा ने कहा। नई झिल्लियाँ एक्वापोरिन जैसी जैविक प्रणालियों से प्रेरणा लेती हैं, जो सटीक आकार के चैनलों के माध्यम से अणुओं की गति को नियंत्रित करती हैं। नियंत्रण के इस स्तर को प्राप्त करने के लिए, शोधकर्ताओं ने पॉलीऑक्सोमेटलेट (POM) क्लस्टर का उपयोग किया। प्रत्येक क्लस्टर में एक प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला छिद्र होता है जो ठीक 1 नैनोमीटर चौड़ा होता है और स्थायी रूप से स्थिर रहता है। CSMCRI की शोध विद्वान और लेख की सह-प्रथम लेखिका सुश्री प्रियंका डोबरिया के अनुसार, "ये POM छोटे, मुकुट के आकार के धातु क्लस्टर हैं जिनके केंद्र में एक स्थायी, पूर्ण छिद्र होता है जो बदलता या अपना आकार नहीं खोता, जो पारंपरिक प्लास्टिक फिल्टर के साथ सबसे बड़ी बाधा है।"

एक व्यावहारिक झिल्ली बनाने के लिए इन छोटी अंगूठी जैसी संरचनाओं के अरबों को एक सतत, दोष-मुक्त परत में व्यवस्थित करना आवश्यक था। ऐसा करने के लिए, शोधकर्ताओं ने POM क्लस्टर में लचीली रासायनिक श्रृंखलाएँ जोड़ीं। जब संशोधित क्लस्टर को पानी पर रखा गया, तो वे स्वाभाविक रूप से फैल गए और एक बड़े क्षेत्र की अल्ट्राथिन फिल्म में व्यवस्थित हो गए। संलग्न श्रृंखलाओं की लंबाई बदलकर, टीम यह नियंत्रित करने में सक्षम थी कि क्लस्टर कितनी बारीकी से पैक हुए। "इसने अणुओं को झिल्ली के पार केवल एक ही खुले रास्ते, प्रत्येक क्लस्टर में निर्मित एक-नैनोमीटर छिद्रों से गुज़रने के लिए मजबूर किया, जिससे झिल्ली एक हाई-टेक छलनी की तरह काम करने लगी," IITGN के सामग्री इंजीनियरिंग विभाग के एसोसिएट प्रोफेसर डॉ. राघवन रंगनाथन ने कहा। डॉ. रंगनाथन और IITGN के पीएचडी विद्वान तथा लेख के सह-प्रथम लेखक श्री विनय ठाकुर ने आणविक-स्तरीय सिमुलेशन भी किए जिससे पता चला कि झिल्लियाँ अपना फ़िल्टरिंग कार्य कैसे करती हैं।

परीक्षण से पता चला कि झिल्लियाँ उन अणुओं के बीच अंतर कर सकती हैं जो केवल 100-200 डाल्टन से भिन्न होते हैं, सटीकता का एक स्तर जो पारंपरिक पॉलिमर झिल्लियों के साथ हासिल करना बेहद मुश्किल है। CSMCRI के प्रधान वैज्ञानिक डॉ. केतन पटेल के अनुसार, यह क्षमता अधिक टिकाऊ विनिर्माण प्रक्रियाओं के लिए नए अवसर पैदा कर सकती है। "हमारी झिल्लियाँ मौजूदा तकनीकों की तुलना में लगभग दस गुना बेहतर पृथक्करण प्रदर्शन दिखाती हैं, जबकि लचीली, स्थिर और स्केलेबल रहती हैं," उन्होंने कहा। "इसके अतिरिक्त, ये झिल्लियाँ लचीली हैं, विभिन्न अम्लता स्तरों (pH रेंज) पर स्थिर हैं, और बड़ी शीटों में निर्मित की जा सकती हैं। यह संयोजन आवश्यक है यदि झिल्लियों को उद्योग में व्यापक रूप से अपनाया जाना है।"