दूषित पाण्यातून जड धातू दूषितांना एकाच टप्प्यात काढून टाकण्यासाठी संशोधकांनी तयार केली नवीन सामग्री

नॅनोसामग्री चे उपयोजन वैद्यकीय, इलेक्ट्रॉनिक्स, जैवसंगत सामग्री, अश्या अनेक क्षेत्रांत करता येते आणि नॅनोसामग्रीने ह्या क्षेत्रांमध्ये क्रांती घडवून आणली आहे. कार्बनच्या वेगवेगळ्या नॅनोरूपांचा, जसे नॅनोट्यूब (नॅनोनळ्या), नॅनोकोन (नॅनोशंकू), नॅनोहॉर्न (नॅनोकर्णा), द्विमितीय ग्रफीन, आणि अगदी नॅनोअनियन (नॅनोकांदे) सुद्धा, अभ्यास शास्त्रज्ञ करत आहेत. भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील संशोधकांनी आता ह्या यदीत कार्बन चे आणखी एक स्वरूप जोडले आहे, ज्याला त्यांनी नॅनोकार्बन फ्लोरेट (नॅनोकार्बन फुले) असे नाव दिले आहे. ही नॅनो आकाराची (अत्यंत सूक्ष्म, मिमी पेक्षा १० लाख पट लहान) फुले दिसायला झेंडूच्या फुलांसारखी आहेत, पण केवळ सौंदर्य एवढाच त्यांचा गुण नाही बरं का, औद्योगिक सांडपाण्यातूण हानीकारक जड धातू दूषिते काढून टाकून पर्यावरण स्वच्छ ठेवण्यासही ती मदत करतात.   

एसीएस ऍप्लाईड नॅनोमटिरिअल्स ह्या कालिकात प्रसरिद्ध झालेल्या एका अभ्यासात, रसायनशास्त्र विभागातील प्राध्यापक सी. सुब्रमण्यम व त्यांच्या चमूने आर्सेनिक, क्रोमियम, कॅडमियम व पारा (मर्क्युरी) असलेली ९०% प्रदूषके काढून टाकू शकणाऱ्या नॅनोकार्बन फ्लोरेटची (नॅनोकार्बन फुलांची) रचना केली आहे. सौम्य ते तीव्र आम्ल किंवा अल्कधर्मी असलेले प्रदूषित पाणी शुद्ध करण्यासाठी ही नॅनोफुले उपयोगी असतात. अधिशोषण क्रियेने ही फुले पाण्यातील प्रदूषके काढतात. पाणी फुलांवरून जात असताना प्रदूषके फुलांच्या पृष्ठभागाला चिकटतात. सौम्य आम्ल वापरून धुतली, की ही फुले नव्यासारखी, परत वापरायला तयार! ही फुले रासायनिकरित्या दृढ आहेत, सहजपणे मोडत नाहीत आणि तापमानाच्या मोठ्या व्याप्तीसाठी ही स्थिर असतात. त्यामुळे दूषित पाणी स्वच्छ करण्यासाठी नॅनोकार्बन फुले सोयीचा व धारणीय पर्याय आहे.

रासायनिक उत्पादन, चर्मउद्योग किंवा क्रोम प्लेटिंग यासारख्या उद्योगांच्या सांडपाण्यात आर्सेनिक, क्रोमियम, कॅडमियम व पारा यासारख्या धोकादायक जड धातूंचे आयन असतात. या पदार्थांमुळे कर्करोग व जीन म्युटेशन होऊ शकते. कालांतराने हे पदार्थ आजूबाजूच्या परिसरात साठून राहतात व त्यामुळे पर्यावरणाची हानी होते. 

अधिशोषण आधारित गाळणे प्रक्रिया कार्यान्वित करायला सोपी असते व गाळणी प्रकल्प भविष्यात वाढवणे सहज शक्य असते. गाळण्यासाठी वापरलेली सामग्रीचा पुनर्वापर करता येतो.  रासायनिक अवक्षेपण, आयन एक्सचेंज, विद्युतरासायनिक निष्कासन व पटल पृथक्करण अश्या पारंपारीक पद्धतींच्या तुलनेत ही पद्धत जास्त फायदेशीर व स्वस्त आहे. पटल पृथक्करण पद्धती प्रदूषित पाण्यातून पाणी काढून घेतात, पण अधिशोषण आधारित शुद्धीकरण पद्धती, प्रदूषित पाण्यातून प्रदूषके बाजूला करतात, त्यामुळे अधिशोषण पद्धती जास्त ऊर्जा कार्यक्षम असतात आणि पाण्याचा कमी वापर करतात.

उत्तम अधिशोषण गाळणी करण्यासाठी, त्या गाळणीचा पृष्ठभाग जास्त हवा, म्हणजे प्रदूषके चिकटून रहायला जास्त जागा उपलब्ध होते.

“पण केवळ पृष्ठभाग जास्त असून उपयोग नाही, त्या पृष्ठभागापर्यंत पोचणे सहज शक्य असायला हवे,” असे प्रा. सुब्रमाण्यम सांगतात.

ज्यापासून गाळणी तयार करायची तो पदार्थ सच्छिद्र असणे  व छिद्राचा आकार प्रदूषकाचे कण जाऊ शकतील असा असणे आवश्यक आहे. छिद्रांची घनता पुरेशी असायला हवी. पाण्यात विरघळलेली प्रदूषके गाळणी पर्यंत सहज पोचायला हवी. सामग्री रासायनिकरित्या दृढ व त्याची संरचना मजबूत असणे आवश्यक आहे.

आतापर्यंत उपलब्ध व संशोधन केलेल्या सामग्रींपैकी कुठल्याच पदार्थात हे सर्व गुणधर्म नाहीत. उदाहरणार्थ, कृत्रिम संयुगे काही विशिष्ट प्रदूषके कार्यक्षमपणे आणि निवडकपणे काढून टाकू शकतात, परंतु ती जैवसंगत नाहीत त्यामुळे त्यांचा निचरा करणे कठीण असते.  बायोमास आधारित सामग्री अकार्यक्षम असते व तिचा पुनर्वापर करता येत नाही. नव्याने निर्माण होत असलेली धातू-जैविक संयुगे कार्यक्षम असतात, पण स्थिर नसतात. कार्बनची नॅनोसामग्री ह्या सर्वांच्या तुलनेत सरस असतात, पण त्या जलविरोधी असल्यामुळे त्यांची पाण्याबरोबर लवकर प्रक्रिया होत नाही. कार्बन नॅनोट्यूब व नॅनोहॉर्न चे गठ्ठे होतात, त्यामुळे पृष्ठभाग कमी होतो व अधिशोषणाचा वेग मंद असतो. सदर अभ्यासात संशोधकांनी ह्या सर्व कमतरता दूर करण्यासाठी, पाण्याला आकर्षित करणाऱ्या जलस्नेही नॅनोकार्बन सामग्रीची संरचना केली आहे. 

सदर अभ्यासात संशोधकांनी सिलिका आधारित फर्मावर (टेम्प्लेट) कार्बनचे रासायनिक वायू निक्षेपण करून (वायूस्वरूप कार्बन वापरून थर देणे) नॅनोकार्बनची फुले तयार केली. सघन संबद्ध गाभ्याला पाकळ्यांसारखे जोडलेले ग्राफाईट चे पातळ पदर, अशी त्यांची रचना असते, अगदी झेंडूच्या फुलांसारखी. नॅनोकार्बनच्या ह्या फुलांना पृष्ठभाग मोठा आणि अधिशोषणाकरिता सहजपणे उपलब्ध होईल असा असतो. फुले जलस्नेही असतात आणि अत्यंत आम्लधर्मी किंवा अल्कलीय पाण्यातही रासायनिकदृष्ट्या स्थिर असतात. ही फुले वेगवेगळ्या अशुद्धी गाळू शकतात, त्यामुळे प्रत्येक प्रदूषक गाळण्यासाठी वेगवेगळी सामग्री वापरण्याची गरज पडत नाही.     

संशोधकांनी आर्सेनिक, क्रोमियम, कॅडमियम व पारा यांनी प्रदूषित झालेले पाणी गाळण्यासाठी ही फुले वापरून ह्या फुलांची कार्यक्षमता तपासली.  आर्सेनिक व क्रोमियम गाळण्यासाठी ही फुले जास्त प्रभावी आहेत, सुमारे ८०-९०% प्रदूषके ह्या फुलांनी काढून टाकली. अनेक प्रदूषके असतानाच्या तुलनेत एकच प्रदूषक असताना अधिशोषण अधिक प्रभावी असते असे दिसून आले. परत परत वापरल्यानंतरही ह्या फुलांची कार्यक्षमता अगदी थोडीशीच कमी झालेली आढळली. 

“रासायनिकरित्या तयार केलेले झिओलाइट, ऍक्टिव्हेटेड कार्बन, नॅनोट्यूब, ग्राफीन, पॉलिमर इत्यादी इतर अधिशोषक केवळ एका विशिष्ट धातूचे आयन गाळू शकतात. त्या विशिष्ट धातूव्यतिरिक्त इतर धातू गाळण्याची त्यांची क्षमता व कार्यक्षमता दोन्ही खूपच कमी असते,” असे प्रतिपादन संशोधक करतात.

नॅनोकार्बन च्या रासायनिक रचनेमुळे अधिशोषणाला मदत होते, पण त्यांच्या विशिष्ट भौतिक रचनेमुळे अधिशोषणाच्या प्रमाणात लक्षणीय वाढ होते.

aसंशोधकांनी त्यांच्या रचनेच्या पेटंट साठी अर्ज दाखल केला आहे व ह्या गाळण्यांचे वाणिज्यीकरण करण्याची त्यांची योजना आहे.

“औद्योगिक स्तरावर नॅनोकार्बन फुलांच्या गाळण्या वापरण्यासाठी औद्योगिक भागीदारांच्या साथीने आणखी संशोधन करणे आवश्यक आहे,” असे प्रा. सुब्रमण्यम यांचे मत आहे.