प्रतीत होता है कि चमत्कारी नवाचारों ने हमारे औद्योगिक समाज की लगातार बढ़ती प्यास को बुझाना संभव बना दिया है।अधिक ऊर्जा की आवश्यकता है?इसे गहरे तल वाली चट्टानों से तोड़ें।ताज़ा पानी?अलवणीकृत महासागरीय धाराएँ।कीमती धातु?इन्हें निम्न-श्रेणी के अयस्कों से प्राप्त करें जो पहले खनन योग्य नहीं थे।

लेकिन ये और अन्य चमत्कार हमें अत्यधिक खारे नमकीन पानी के समुद्र में अचार के रूप में छोड़ देते हैं।यह "नमकीन" - अपशिष्ट जल जिसमें समुद्री जल की तुलना में कई गुना अधिक नमक होता है और अक्सर प्रदूषकों से दूषित होता है - इन और अन्य औद्योगिक प्रक्रियाओं का उपोत्पाद है, और यह एक समस्या है।

अरूप सेनगुप्ता, पी.सी. ने कहा, "60,000âmgâlâ1 से अधिक कुल घुले हुए ठोस पदार्थों वाले नमकीन घोल के निपटान से तकनीकी, पर्यावरणीय और आर्थिक बाधाएँ उत्पन्न होती हैं जो अधिकतर अनसुलझी रहती हैं।"रॉसिन लेहाई विश्वविद्यालय में सिविल एवं पर्यावरण इंजीनियरिंग के प्रोफेसर हैं।

हालाँकि, सेनगुप्ता और विजिटिंग शोधकर्ता हाओ चेन (तब एक डॉक्टरेट छात्र) द्वारा विकसित एक नया दृष्टिकोण सुपर-नमकीन पानी में छिपे मूल्यवान संसाधनों को साफ करने और यहां तक ​​​​कि संभावित रूप से अनलॉक करने में एक छलांग का प्रतिनिधित्व करता है।काम हैप्रकाशितजर्नल मेंप्रकृति जल.

वर्तमान तरीके

इस उपोत्पाद से निपटने के मौजूदा तरीके अक्सर जटिल होते हैंपर्यावरणीय क्षतिऔद्योगिक प्रक्रियाओं में निहित है।

• तटीय अलवणीकरण संयंत्रों में हाइपरसैलिन ब्राइन को वापस समुद्र में पंप करना एक आम बात है, लेकिन ऐसा करने से गहरे समुद्र के पारिस्थितिक तंत्र बाधित हो सकते हैं।
• अंतर्देशीय औद्योगिक सुविधाओं से अपशिष्ट जल को अक्सर बड़े पैमाने पर, खुले पूलों में सूरज के नीचे वाष्पित होने के लिए छोड़ दिया जाता है, लेकिन यह प्रक्रिया अक्षम है, मौसम पर निर्भर है, और दूषित पदार्थों की एकाग्रता का खतरा है जो भूजल और आसपास के वातावरण दोनों के लिए खतरा है।
• पृथ्वी के भीतर गहरे कुओं में नमकीन पानी डालना एक आम बात थी, लेकिन इससे होने वाले पारिस्थितिक और भूवैज्ञानिक नुकसान के कारण कई क्षेत्रों में इसे गैरकानूनी घोषित कर दिया गया है।
• मल्टीस्टेज थर्मल डिस्टिलेशन और मेम्ब्रेन डिस्टिलेशन जैसी अन्य विधियों के कुछ फायदे हैं, लेकिन गर्मी पैदा करने के लिए बड़े ऊर्जा इनपुट की भी आवश्यकता होती है और स्केल के निर्माण और उपकरणों पर अपरिवर्तनीय गंदगी या संदूषण का खतरा होता है।

क्रिस्टलीकृत ठोस पदार्थों के संग्रह के लिए अनुकूल स्तर तक नमकीन पानी को केंद्रित करने के तरीकों को विकसित करना अमेरिकी आंतरिक विभाग और अन्य वैश्विक जल एजेंसियों की प्राथमिकता बना दिया गया है।

क्रिस्टलीकृत ठोसों को अधिक आसानी से निपटाया जा सकता है, पुन: उपयोग किया जा सकता हैऔद्योगिक प्रक्रियाएँऔर यहां तक ​​कि लिथियम सहित कीमती धातुओं का "खनन" भी किया गया।

एक नया समाधान

सेनगुप्ता और चेन ने हवा की नमी और आयन एक्सचेंज का उपयोग करके कमरे के तापमान पर नमकीन पानी को केंद्रित करने के लिए एक नई प्रक्रिया, बाष्पीकरणीय आयन एक्सचेंज (ईआईएक्स) विकसित की है।मौजूदा तरीकों के विपरीत, EIX स्केलिंग और फाउलिंग से बचाता है, और यह अपने कुशल डिजाइन के कारण प्राकृतिक वाष्पीकरण की तुलना में बहुत तेज है।

यह एक पॉलिमरिक आयन एक्सचेंज रेज़िन बीड का उपयोग करता है, जो एक प्रकार का जेल है जिसमें चार्ज की उच्च सांद्रता होती हैकार्यात्मक समूह, या परमाणु जिनका विद्युत आवेश विपरीत आवेश वाले आयनों से बंधता है।जब मनका पानी के संपर्क में आता है, तो राल का आंतरिक दबाव लवण और अन्य यौगिकों को अस्वीकार करते हुए पानी को जल्दी से अवशोषित कर देता है।

सेनगुप्ता ने कहा, "यह घटना फॉरवर्ड ऑस्मोसिस के समान है, लेकिन भौतिक रूप से कोई अर्धपारगम्य झिल्ली मौजूद नहीं है। इसके बजाय, आयन एक्सचेंजर-जल इंटरफ़ेस एक अर्धपारगम्य झिल्ली के रूप में कार्य करता है और पानी का अवशोषण बहुत तेज होता है।"

जब शुष्क हवा के संपर्क में आता है, तो राल बाहरी ताप इनपुट की आवश्यकता के बिना कमरे के तापमान पर वाष्पीकरण के माध्यम से हवा में पानी छोड़ता है।

सेनगुप्ता ने कहा, "इस चक्र को दोहराया जा सकता है, जिससे रेजिन को परिवेश के तापमान पर समाधानों को लगातार केंद्रित करने की अनुमति मिलती है।""प्रक्रिया तेज़ है, और कुल ऊर्जा आवश्यकता परिवेशी वायु द्वारा प्रदान की जाती है।"

अध्ययन में इस्तेमाल किया गया बेस रेज़िन पुरोलाइट A502P था, जो पेयजल प्रणालियों के लिए व्यावसायिक रूप से उपलब्ध आयन एक्सचेंज रेज़िन है।शोधकर्ताओं ने सामग्री को ज़िरकोनियम डाइऑक्साइड (ZrO) के साथ डोप किया2_{) इसके विशिष्ट गुरुत्व को सुनिश्चित करने और राल को तैरने से रोकने के लिए नैनोकण।}प्रयोग

इस प्रक्रिया का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ताओं ने पेंसिल्वेनिया और न्यू जर्सी मार्सेलस शेल क्षेत्र में गैस कुएं स्थलों से एकत्र किए गए प्रयोगशाला-निर्मित सिंथेटिक हाइपरसैलिन ब्राइन और हाइपरसैलिन पानी दोनों का उपयोग करके प्रयोग किए।

नमक के अलावा, मार्सेलस नमूने में बेरियम धनायन, स्ट्रोंटियम धनायन और कैल्शियम आयनों की उच्च सांद्रता थी।

EIX मोतियों को एक बिस्तर में रखा गया था, जिसे तब तक नमकीन पानी से भर दिया गया था जब तक कि राल संतृप्ति तक नहीं पहुंच गया।बिस्तर से नमकीन पानी निकाला गया, और फिर राल को वाष्पीकरण के लिए उड़ाई गई, बिना गरम हवा के संपर्क में लाया गया, और शेष नमकीन पानी की कुल मात्रा और कुल घुलनशील ठोस (टीडीएस) को मापा गया।फिर बचे हुए नमकीन पानी का उपयोग करके इस चक्र को दोहराया गया।

• तीन चक्रों के पूरा होने के बाद, शेष सिंथेटिक ब्राइन की मात्रा लगभग तीन गुना कम हो गई, और शेष सिंथेटिक ब्राइन का टीडीएस लगभग तीन गुना बढ़ गया।
• समान पॉलिमर मोतियों के साथ लेकिन आयन एक्सचेंज कार्यात्मक समूहों के बिना किए गए चक्रों ने सिंथेटिक ब्राइन के टीडीएस में 20% से कम की वृद्धि हासिल की।
• मार्सेलस नमूने के साथ किए गए चार चक्रों के बाद, बेरियम, सोडियम और क्लोरीन की सांद्रता घुलनशीलता सीमा से परे केंद्रित हो गई, जिसके परिणामस्वरूप बेरियम क्लोराइड और सोडियम क्लोराइड लवण का प्रत्यक्ष क्रिस्टलीकरण हुआ।
• प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप राल की स्केलिंग या गंदगी नहीं हुई, और प्रयोगों ने प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले हाइपरब्राइन से लिथियम को केंद्रित करने और पुनर्प्राप्त करने की क्षमता का संकेत दिया।

सेनगुप्ता ने कहा, "इस अध्ययन की सबसे उल्लेखनीय खोज परिवेश के तापमान पर चार ईआईएक्स चक्रों के बाद मार्सेलस गैस कुएं से हाइपरसैलिन पानी से लवण की वर्षा/क्रिस्टलीकरण है।""साहित्य के अनुसार, कोई अन्य नहींनमकीनएकाग्रता प्रक्रिया परिवेश के तापमान पर आरंभिक क्रिस्टलीकरण प्राप्त करती है।"

सेनगुप्ता ने कहा कि इस प्रक्रिया के फायदे उन्हें व्यापक उपयोग के लिए इस प्रक्रिया को बढ़ाने की क्षमता के बारे में आशावादी बनाते हैं।अगला कदम एक पायलट सिस्टम चलाना और अन्य ऊंचे तापमान प्रक्रियाओं की तुलना में इसके प्रक्रिया मापदंडों और ऊर्जा लाभों को रिकॉर्ड करना होगा।

सेनगुप्ता ने कहा, "ईआईएक्स प्रक्रिया को प्रक्रिया के पैमाने को बढ़ाने के लिए किसी विशेष सामग्री के निर्माण की आवश्यकता नहीं है।""इसके लिए किसी ताप या प्रमुख ऊर्जा स्रोत की आवश्यकता नहीं है। इसे तेजी से बढ़ाया जा सकता है।"