गैर झिल्ली विद्युत रासायनिक अपशिष्ट जल से अमोनिया पुनर्प्राप्ति के लिए सतत प्रौद्योगिकी में नई उपलब्धियां हासिल की गई हैं

कई औद्योगिक उत्पादन गतिविधियों, जैसे इलेक्ट्रोप्लेटिंग और फोटोवोल्टिक्स में, बड़ी मात्रा में नाइट्रेट युक्त अपशिष्ट जल उत्पन्न होता है। नाइट्रेट अपशिष्ट जल के उपचार के पारंपरिक तरीकों, जैसे वाष्पीकरण क्रिस्टलीकरण और लैंडफिल उपचार, में आम तौर पर उच्च ऊर्जा खपत, कम दक्षता और माध्यमिक प्रदूषण के प्रति संवेदनशीलता जैसी कमियां होती हैं।

वहीं, अमोनिया की वैश्विक मांग लगातार बढ़ रही है। उर्वरक, रासायनिक कच्चे माल और ऊर्जा वाहक के रूप में, अमोनिया कृषि और उद्योग दोनों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।

इस संदर्भ में, एक स्थायी तकनीक विकसित करना विशेष रूप से महत्वपूर्ण और जरूरी है जो नाइट्रेट अपशिष्ट जल का उचित उपचार कर सके और अमोनिया को कुशलतापूर्वक पुनर्प्राप्त कर सके।

"एक झिल्ली मुक्त इलेक्ट्रोकेमिकल प्रणाली का उपयोग करके नाइट्रेट समृद्ध अपशिष्ट जल से अमोनिया पुनर्प्राप्त करना" पर एक शोध परिणाम नेचर सस्टेनेबिलिटी में प्रकाशित किया गया है।

यह अध्ययन एक अत्यधिक नवीन झिल्ली मुक्त इलेक्ट्रोकेमिकल प्रणाली (ईसीएसएन) का प्रस्ताव करता है, जो नाइट्रेट अपशिष्ट जल उपचार और अमोनिया पुनर्प्राप्ति की समस्याओं को हल करने के लिए एक नया दृष्टिकोण और विधि प्रदान करता है।

सिस्टम बड़ी चतुराई से इसमें नाइट्रेट (ईएनआरआर) तकनीक की इलेक्ट्रोकैटलिटिक कमी को एकीकृत करता है, विशिष्ट इलेक्ट्रोड प्रतिक्रियाओं और प्रक्रिया डिजाइन के माध्यम से अपशिष्ट जल में नाइट्रेट को उच्च शुद्धता वाले अमोनियम क्लोराइड में सफलतापूर्वक परिवर्तित करता है, और समकालिक नाइट्रेट कटौती और अमोनिया रिकवरी को प्राप्त करता है।

सिस्टम के मुख्य घटकों में से एक कॉपर निकल (एमपीसीएन) कार्यशील इलेक्ट्रोड है जिसे 3डी प्रिंटिंग तकनीक का उपयोग करके तैयार धातु ग्लास से सजाया गया है। यह इलेक्ट्रोड तैयार करने की प्रक्रिया अद्वितीय है, परत दर परत इलेक्ट्रोड संरचनाओं के निर्माण के लिए चयनात्मक लेजर पिघलने की तकनीक का उपयोग किया जाता है।

इसमें कई पहलुओं में उत्कृष्ट विशेषताएं हैं। संरचनात्मक दृष्टिकोण से, एक्स-रे कंप्यूटेड टोमोग्राफी पुनर्निर्माण के माध्यम से यह अनुमान लगाया जा सकता है कि इसमें उपयुक्त सरंध्रता और सावधानीपूर्वक डिजाइन किए गए इलेक्ट्रोलाइट मार्ग हैं, जो अभिकारकों के परिवहन और प्रतिक्रियाओं की पूर्ण प्रगति के लिए अनुकूल हैं।

भौतिक गुणों के संदर्भ में, एक्स-रे विवर्तन पैटर्न और रिटवेल्ड शोधन परिणाम से संकेत मिलता है कि इसमें एक अच्छी क्रिस्टलीय संरचना है, जबकि उच्च-रिज़ॉल्यूशन ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी छवियां दिखाती हैं कि इलेक्ट्रोड कोर एक तांबा निकल मिश्र धातु संरचना है, जिसमें अनाकार धातु की एक परत होती है सतह को ढकने वाला कांच।

इस अनाकार परत का निर्माण 3डी प्रिंटिंग प्रक्रिया के दौरान सतह और आंतरिक क्षेत्रों के तापमान वितरण से निकटता से संबंधित है। सतह पर अपेक्षाकृत कम शीतलन दर अनाकार संरचनाओं के निर्माण को बढ़ावा देती है, और यह अनाकार परत इलेक्ट्रोड को उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध प्रदान करती है, जो इसे जटिल अपशिष्ट जल वातावरण में स्थिर रूप से काम करने में सक्षम बनाती है।

इसके अलावा, ईसीएसएन प्रणाली एक यूवी सहायता प्राप्त छीलने वाली इकाई को भी एकीकृत करती है। यह इकाई विद्युत रासायनिक प्रक्रिया में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। पारंपरिक इलेक्ट्रोकेमिकल प्रणालियों में, अमोनिया को एनोड पर माध्यमिक ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं से गुजरने का खतरा होता है, जिसके परिणामस्वरूप अमोनिया पुनर्प्राप्ति दर में कमी आती है।

यूवी सहायता प्राप्त स्ट्रिपिंग यूनिट एनोड पर अमोनिया के ऑक्सीकरण को प्रभावी ढंग से दबा सकती है। प्रकाश विकिरण की कार्रवाई के माध्यम से, प्रतिक्रिया प्रणाली में रासायनिक संतुलन और प्रतिक्रिया गतिकी को बदल दिया जाता है, जिससे अमोनिया को प्रतिक्रिया प्रणाली से अधिक कुशलता से अलग किया जा सकता है और पुनर्प्राप्त किया जा सकता है, जिससे पूरे सिस्टम की अमोनिया पुनर्प्राप्ति दक्षता में काफी सुधार होता है।

एमपीसीएन इलेक्ट्रोड झिल्ली मुक्त इलेक्ट्रोकेमिकल प्रणालियों में उत्कृष्ट प्रदर्शन करते हैं। इलेक्ट्रोकैटलिटिक नाइट्रेट रिडक्शन रिएक्शन (ईएनआरआर) प्रक्रिया में, प्रायोगिक तरीकों की एक श्रृंखला के माध्यम से इसके प्रदर्शन का गहन विश्लेषण किया गया।

विभिन्न क्षमताओं पर फूरियर ट्रांसफॉर्म इंफ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (एफटीआईआर) प्रयोगों से पता चला कि एमपीसीएन इलेक्ट्रोड में NO ∝⁻ के लिए अच्छी सोखने की क्षमता है और प्रतिक्रिया प्रक्रिया के दौरान मध्यवर्ती उत्पादों की पीढ़ी को प्रभावी ढंग से बढ़ावा दे सकता है।

ऑनलाइन डिफरेंशियल इलेक्ट्रोकेमिकल मास स्पेक्ट्रोमेट्री (डीईएमएस) रिकॉर्ड स्पष्ट रूप से प्रतिक्रिया प्रक्रिया के दौरान NO, NO ₂, और NH3 की पीढ़ी को प्रदर्शित करता है, और इन आंकड़ों से, प्रतिक्रिया प्रक्रिया और पदार्थ रूपांतरण मार्ग को सटीक रूप से ट्रैक किया जा सकता है।

आगे के शोध ने एनआरआर मुक्त ऊर्जा मार्ग की गणना करके NO ∝⁻ से NH ∝ तक विस्तृत प्रतिक्रिया चरणों को स्पष्ट किया है, और निर्धारित किया है कि NO का NOH में रूपांतरण संपूर्ण प्रतिक्रिया का दर नियंत्रित करने वाला चरण है। यह खोज भविष्य में इलेक्ट्रोड प्रदर्शन और प्रतिक्रिया स्थितियों को और अधिक अनुकूलित करने के लिए एक अत्यंत महत्वपूर्ण सैद्धांतिक आधार प्रदान करती है।

{0}}.5 वी की स्थिति के तहत, एमपीसीएन इलेक्ट्रोड की एनएच 3- नाइट्रोजन उत्पादन दर 0.94 mmol h ⁻¹ सेमी ⁻ ² जितनी अधिक है, और फैराडे दक्षता 93% से अधिक है . ये डेटा ईएनआरआर प्रतिक्रिया में एमपीसीएन इलेक्ट्रोड के कुशल उत्प्रेरक प्रदर्शन को पूरी तरह से प्रदर्शित करते हैं, जो नाइट्रेट को जल्दी और चुनिंदा रूप से अमोनिया में परिवर्तित कर सकता है।

इसके अलावा, एमपीसीएन इलेक्ट्रोड उत्कृष्ट विद्युत रासायनिक स्थिरता प्रदर्शित करते हैं, जो 200 एमए सेमी² के औद्योगिक वर्तमान घनत्व पर 1000 घंटे से अधिक समय तक निरंतर और स्थिर संचालन में सक्षम हैं।

यह दीर्घकालिक स्थिरता परीक्षण परिणाम वास्तविक नाइट्रेट समृद्ध अपशिष्ट जल में किया गया था। अन्य इलेक्ट्रोड जैसे Cu फोम, Ni फोम, MFCN, आदि के साथ तुलना करके, प्रतिक्रिया से पहले और बाद में ऑप्टिकल छवि, रमन स्पेक्ट्रम तुलना, साथ ही NO के सोखने के बाद चार्ज घनत्व में परिवर्तन से मूल्यांकन किया गया था। ⁻, जिसने वास्तविक अनुप्रयोग परिदृश्य में एमपीसीएन इलेक्ट्रोड की श्रेष्ठता और विश्वसनीयता पर प्रकाश डाला।

ईसीएसएन प्रणाली ने वास्तविक इलेक्ट्रोप्लेटिंग अपशिष्ट जल के उपचार में मजबूत अनुप्रयोग क्षमता और महत्वपूर्ण उपचार प्रभावों का प्रदर्शन किया है। वास्तविक इलेक्ट्रोप्लेटिंग अपशिष्ट जल के उपचार प्रयोग में, सिस्टम ने 70% से अधिक नाइट्रेट को सफलतापूर्वक उच्च शुद्धता वाले अमोनियम क्लोराइड में परिवर्तित कर दिया। इस परिणाम की उपलब्धि प्रणाली में विभिन्न घटकों के सहक्रियात्मक प्रभाव और सावधानीपूर्वक अनुकूलित प्रतिक्रिया स्थितियों के कारण है।

समग्र सिस्टम डिज़ाइन के दृष्टिकोण से, इसमें MPCN और IrO ₂ - Ta ₂ O ₅/Ti इलेक्ट्रोड की तर्कसंगत असेंबली, एक विशेष रूप से डिज़ाइन किया गया फ्लो-थ्रू इलेक्ट्रोलाइटिक सेल और अमोनिया स्ट्रिपिंग के लिए एक इकाई शामिल है। प्रतिक्रिया प्रक्रिया के दौरान अमोनिया को नाइट्रोजन में बदलने का पार्श्व प्रतिक्रिया मार्ग अमोनिया पुनर्प्राप्ति दर को प्रभावित करने वाले प्रमुख कारकों में से एक है।

ईसीएसएन प्रणाली प्रकाश विकिरण के माध्यम से अमोनिया ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया (एओआर) को प्रभावी ढंग से दबा देती है। प्रयोगात्मक डेटा से, यह स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है कि प्रकाश विकिरण की स्थिति के तहत कुल कार्बनिक कार्बन (टीओसी) की निष्कासन दक्षता और एनओ ∝⁻ से एनएच 3 रूपांतरण की चयनात्मकता में महत्वपूर्ण अंतर हैं। प्रकाश विकिरण NH3 की पुनर्प्राप्ति दर में उल्लेखनीय सुधार करता है।

फ्लो-थ्रू इलेक्ट्रोलाइटिक सेल में, समय के साथ IrO ₂ - Ta ₂ O ₅/Ti एनोड की संभावित भिन्नता की निगरानी से पता चला कि अमोनिया स्ट्रिपिंग प्रक्रिया ने AOR को प्रभावी ढंग से दबा दिया, जिससे अमोनिया की अधिक कुशल वसूली सुनिश्चित हुई।

पारंपरिक विसर्जन बैटरियों की तुलना में, ईसीएसएन प्रणाली NO ∝⁻ निष्कासन दक्षता में भी महत्वपूर्ण लाभ दिखाती है। इसका अद्वितीय प्रवाह क्षेत्र और विद्युत क्षेत्र डिज़ाइन, साथ ही विभिन्न घटकों के बीच सहक्रियात्मक प्रभाव, नाइट्रेट को कम करने और अधिक तेज़ी से और अच्छी तरह से परिवर्तित करने में सक्षम बनाता है, जिससे अपशिष्ट जल उपचार की दक्षता और गुणवत्ता में काफी सुधार होता है, उपचार के समय और लागत को कम किया जाता है, और एक प्रदान किया जाता है। वास्तविक औद्योगिक उत्पादन में अपशिष्ट जल उपचार के लिए कुशल और व्यवहार्य समाधान।

ईसीएसएन प्रणाली के तकनीकी और आर्थिक विश्लेषण के साथ-साथ जीवनचक्र विश्लेषण से संकेत मिलता है कि अर्थव्यवस्था और पर्यावरण के संदर्भ में इसकी महत्वपूर्ण व्यवहार्यता और फायदे हैं।

तकनीकी और आर्थिक विश्लेषण के संदर्भ में, पारंपरिक ईसी एसएल उपचार पद्धति की तुलना में, ईसीएसएन प्रणाली प्रति घन मीटर NO ∝⁻ अपशिष्ट जल के उपचार की लागत को काफी कम कर देती है। इसका मुख्य कारण इसकी कुशल प्रतिक्रिया प्रक्रिया, कम ऊर्जा खपत और अपेक्षाकृत सरल प्रणाली संरचना है।

सामग्री लागत के संदर्भ में, हालांकि 3डी प्रिंटिंग के लिए एमपीसीएन इलेक्ट्रोड की तैयारी प्रक्रिया अपेक्षाकृत जटिल है, इसका उत्कृष्ट प्रदर्शन और दीर्घकालिक स्थिरता इलेक्ट्रोड प्रतिस्थापन और रखरखाव लागत की आवृत्ति को कम करती है। लंबे समय में, यह समग्र सामग्री लागत निवेश को कम करता है। परिचालन लागत के संदर्भ में, सिस्टम की उच्च रूपांतरण दर और चयनात्मकता ऊर्जा की खपत और रासायनिक अभिकर्मकों के उपयोग को कम करती है, जिससे परिचालन लागत और भी कम हो जाती है।

वास्तविक संचालन में, अमोनिया पुनर्प्राप्ति दर में वृद्धि से बाद के अमोनिया उपचार की लागत और अमोनिया हानि से होने वाले आर्थिक नुकसान कम हो जाते हैं।

जीवन चक्र मूल्यांकन (एलसीए) के परिप्रेक्ष्य से, ईसीएसएन प्रणालियों ने कई पर्यावरणीय प्रभाव श्रेणियों में महत्वपूर्ण लाभ प्रदर्शित किए हैं। ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन के संदर्भ में, पारंपरिक उपचार विधियों की तुलना में, इसके उत्सर्जन में काफी कमी आई है। ऐसा इसलिए है क्योंकि सिस्टम संचालन के दौरान कम ऊर्जा की खपत करता है और कुछ पारंपरिक उपचार प्रक्रियाओं में रासायनिक प्रतिक्रियाओं के कारण होने वाले ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन से बचता है।

स्थलीय और जलीय विषाक्तता के संदर्भ में, द्वितीयक प्रदूषण में कमी और हानिकारक पदार्थों के प्रभावी उपचार और परिवर्तन के कारण महत्वपूर्ण कमी देखी गई है। उदाहरण के लिए, नाइट्रेट को अमोनियम क्लोराइड में परिवर्तित करके, पर्यावरण में नाइट्रेट के संचय और मिट्टी और जल निकायों के प्रदूषण से बचा जाता है। साथ ही, अमोनियम क्लोराइड को एक मूल्यवान रासायनिक कच्चे माल के रूप में भी पुनर्नवीनीकरण किया जा सकता है, जो पूरे सिस्टम के पर्यावरणीय लाभों को और बढ़ाता है।

दुनिया भर में NO ∝⁻ पुनर्चक्रण और NH ∝ उत्पादन के भौतिक प्रवाह के दृष्टिकोण से, ECSN प्रणाली में वैश्विक नाइट्रोजन चक्र में महत्वपूर्ण अनुप्रयोग क्षमता है। यह अपशिष्ट नाइट्रेट संसाधनों को प्रभावी ढंग से उपयोगी अमोनिया संसाधनों में परिवर्तित कर सकता है, नाइट्रोजन संसाधनों के पुनर्चक्रण को बढ़ावा दे सकता है, नए नाइट्रोजन स्रोतों पर शोषण और निर्भरता को कम कर सकता है और वैश्विक नाइट्रोजन चक्र के सतत विकास को बढ़ावा देने में सकारात्मक भूमिका निभा सकता है।