रासायनिक अवशोषण और भौतिक अधिशोषण: कार्बन कैप्चर में महत्वपूर्ण भूमिका

01 परिचय

बिंदु स्रोत कार्बन कैप्चर तकनीक का उद्देश्य वायुमंडल में उत्सर्जित कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) को कम करना है और यह जलवायु परिवर्तन से निपटने का एक महत्वपूर्ण उपाय बन गया है। यह लेख दो अलग-अलग कार्बन कैप्चर विधियों - रासायनिक अवशोषण और भौतिक अधिशोषण - का अध्ययन करेगा और व्यावहारिक अनुप्रयोगों में उनकी विशेषताओं पर चर्चा करेगा।

02 रासायनिक अवशोषण: कार्बन कैप्चर का आधार

वर्तमान में, कार्बन कैप्चर में रासायनिक अवशोषण एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, जो बिजली संयंत्रों, औद्योगिक सुविधाओं और अन्य स्रोतों से निकलने वाली द्रव गैस से CO₂ को प्रभावी ढंग से कैप्चर करने का एक तरीका प्रदान करता है। इस प्रक्रिया में, CO₂ युक्त गैस एक तरल विलायक से होकर गुजरती है। विलायक द्वारा CO₂ को अवशोषित करने के बाद, कैप्चर की गई CO₂ को मुक्त किया जाता है और ऊष्मीय पुनर्जनन के माध्यम से अलग किया जाता है, फिर उसे संग्रहित या उपयोग में लाया जाता है।

मोनोएथेनॉलमाइन (MEA) और डायएथेनॉलमाइन (DEA) जैसे सामान्य रूप से उपयोग किए जाने वाले अवशोषक CO₂ के प्रति उनकी उच्च आत्मीयता के कारण व्यापक रूप से प्रयोग में लाए जाते हैं। ये पदार्थ CO₂ के साथ प्रतिवर्ती रासायनिक अभिक्रियाएं करके अवशोषण और विमोचन चक्र को पूरा कर सकते हैं। अवशोषण प्रणालियों में आमतौर पर अवशोषक, विभाजक और पुनर्जनन इकाइयां शामिल होती हैं। पुनर्जीवित विलायक को पुनः उपयोग के लिए अवशोषक में वापस भेज दिया जाता है।

कार्बनिक अमाइन विलायकों का उपयोग करने वाली अवशोषण तकनीक का विकास प्रारंभिक दौर में हुआ और यह अपेक्षाकृत परिपक्व है, जिसमें अवशोषण प्रणालियाँ उच्च अवशोषण दर प्राप्त करने में सक्षम हैं। हालांकि, निरंतर अवशोषण-पुनर्जनन चक्रों के दौरान कार्बनिक अमाइन विलायकों का क्षरण होता है, जिससे उनकी अवशोषण क्षमता कम हो जाती है और उन्हें नियमित रूप से बदलना पड़ता है। इसके अतिरिक्त, विलायक पुनर्जनन प्रक्रिया में काफी ऊर्जा की खपत होती है, जिससे अपशिष्ट ऊष्मा की अनुपलब्धता वाले परिदृश्यों में अतिरिक्त कार्बन उत्सर्जन हो सकता है, जो इसकी समग्र उत्सर्जन कटौती प्रभावशीलता को और सीमित करता है। साथ ही, अपशिष्ट विलायकों का निपटान नई पर्यावरणीय समस्याएं उत्पन्न कर सकता है। इसलिए, हाल के वर्षों में, भौतिक अवशोषण तकनीक पर आधारित कार्बन डाइऑक्साइड अवशोषण पर अधिक ध्यान दिया जा रहा है।

03 भौतिक अधिशोषण: छिद्रयुक्त पदार्थों का उपयोग करके कार्बन ग्रहण करना

अधिशोषण तकनीक मुख्य रूप से CO₂ के भौतिक अधिशोषण के लिए ज़ियोलाइट, सक्रिय कार्बन और धातु-कार्बनिक ढाँचे (MOF) जैसे छिद्रयुक्त पदार्थों का उपयोग करती है। अवशोषण के विपरीत, अधिशोषण का तात्पर्य ठोस अधिशोषक की सतह द्वारा CO₂ अणुओं के भौतिक रूप से ग्रहण करने से है, जिसमें अधिशोषण प्रक्रिया के दौरान कोई रासायनिक प्रतिक्रिया नहीं होती है।

सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले ठोस अधिशोषकों में, सक्रिय कार्बन पदार्थ कम अधिशोषण चयनात्मकता प्रदर्शित करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप बिंदु-स्रोत CO₂ संग्रहण में निम्न दक्षता और उच्च ऊर्जा खपत होती है। ज़ियोलाइट और आणविक छलनी जैसे पदार्थ, अपनी कम चयनात्मकता के अलावा, जल वाष्प से भी काफी प्रभावित होते हैं। व्यावहारिक अनुप्रयोगों में अतिरिक्त सुखाने की प्रक्रिया की आवश्यकता होती है, जिससे संग्रहण लागत बढ़ जाती है। इसके अलावा, इन अधिशोषकों की कम चयनात्मकता के कारण, कम CO₂ मात्रा (≤30%) वाली द्रव गैस में CO₂ सांद्रता को 90% से अधिक तक बढ़ाने के लिए अक्सर दो-चरणीय या बहु-चरणीय अधिशोषण की आवश्यकता होती है।

धातु-कार्बनिक ढाँचे (एमओएफ) क्रिस्टलीय छिद्रपूर्ण पदार्थों का एक वर्ग है जो धातु आयनों या समूहों से मिलकर बना होता है। ऑर्गेनिक लिंकरउच्च विशिष्ट सतही क्षेत्रफल और समायोज्य छिद्र संरचनाओं वाले नैनोपोरस फ्रेमवर्क का निर्माण करते हुए, MOF सामग्रियों की एक श्रृंखला हाल के वर्षों में विकसित की गई है, जिनमें उच्च चयनात्मकता, उच्च सोखने की क्षमता और कुछ हद तक जल प्रतिरोधकता होती है, जो उन्हें बिंदु-स्रोत CO₂ कैप्चर के लिए आदर्श बनाती है। ये सामग्रियां अत्यधिक चयनात्मक सोखने की क्षमता रखती हैं, और यहां तक ​​कि कम CO₂ सामग्री वाली गैस धाराओं में भी, वे एकल-चरण सोखने के माध्यम से CO₂ सांद्रता को 90% से अधिक तक बढ़ा सकती हैं, जिससे वे कार्बन कैप्चर अनुप्रयोगों में शक्तिशाली समाधान बन जाती हैं।

MOF आधारित अधिशोषण कार्बन कैप्चर कई लाभ प्रदान करता है। MOF के गुणों को समायोजित किया जा सकता है, जिससे विशिष्ट CO₂ कैप्चर आवश्यकताओं के अनुरूप अधिशोषक तैयार किए जा सकते हैं। इन्हें विभिन्न अधिशोषण प्रक्रिया प्रणालियों, जैसे कि प्रेशर स्विंग एडसॉर्प्शन (PSA) और टेम्परेचर स्विंग एडसॉर्प्शन (TSA) के अनुकूल बनाया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, MOF को आमतौर पर अन्य सामग्रियों की तुलना में कम तापमान पर डीसॉर्ब किया जा सकता है, जिससे ऊर्जा की खपत में काफी कमी आती है।

04 कार्बन कैप्चर का भविष्य

MOF क्षेत्र में हालिया प्रगति, अनुकूलनीय संरचनात्मक डिज़ाइन के कारण, अधिशोषण सामग्रियों की सामान्य सीमाओं (जैसे नमी संवेदनशीलता और कम चयनात्मकता) को दूर करने में सहायक सिद्ध हुई है। MOF की संरचना और छिद्र ज्यामिति को सूक्ष्मता से समायोजित करके, शोधकर्ताओं ने स्थिर और उच्च-प्रदर्शन वाली सामग्रियों का सफलतापूर्वक निर्माण किया है। MOF-आधारित प्रणालियाँ विभिन्न सांद्रता स्तरों पर कुशल कार्बन कैप्चर (95% शुद्धता और 90% पुनर्प्राप्ति दर) के लिए मानक आवश्यकताओं को पूरा कर सकती हैं, और इसके लिए केवल न्यूनतम मात्रा में डेसिकेंट प्री-लेयरिंग की आवश्यकता होती है। नमी संवेदनशीलता को कम करने की यह क्षमता, ज़ियोलाइट जैसी अन्य अधिशोषण सामग्रियों की तुलना में MOF का एक महत्वपूर्ण लाभ है।

MOF उत्कृष्ट स्थिरता और स्थायित्व भी प्रदर्शित करते हैं, जिससे वे कार्बन कैप्चर अनुप्रयोगों के लिए लोकप्रिय सामग्री बन जाते हैं। इसलिए, उनकी ट्यूनेबिलिटी एमओएफ संरचनायह न केवल CO₂ कैप्चर में उनकी प्रभावशीलता को बढ़ाता है बल्कि विभिन्न पर्यावरणीय परिस्थितियों में उनकी व्यावहारिकता और विश्वसनीयता में भी सुधार करता है, जिससे सोखने पर आधारित कार्बन कैप्चर प्रौद्योगिकियों में उनकी अग्रणी स्थिति और मजबूत होती है।

वैश्विक कार्बन उत्सर्जन में कमी लाने के प्रयासों के साथ, MOF को अधिशोषक के रूप में उपयोग करके भौतिक अधिशोषण अपार संभावनाएं प्रदर्शित करेगा। शोधकर्ता MOF की स्थिरता, विस्तारशीलता और लागत-प्रभावशीलता को और बेहतर बनाने के लिए निरंतर अनुसंधान और विकास कर रहे हैं, जिससे औद्योगिक कार्बन कैप्चर में इनका व्यापक अनुप्रयोग हो सके। छिद्रयुक्त पदार्थों के लाभों का उपयोग करके, हम आने वाली पीढ़ियों के लिए एक हरित और टिकाऊ भविष्य का मार्ग प्रशस्त कर सकते हैं।

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संदर्भ

[1]Heliyon, 9 (2023), e22341, 10.1016/j.heliyon.2023.e22341 

[2] जर्नल ऑफ क्लीनर प्रोडक्शन, 373 (2022), 133932, 10.1016/j.jclepro.2022.133932