मानवी तसेच औद्योगिक उपक्रमांतून होणारे कार्बन डायऑक्साइडचे उत्सर्जन व त्यामुळे वातावरणातील दिवसेंदिवस वाढत जाणारे कार्बन डायऑक्साइडचे प्रमाण हा जागतिक स्तरावरील चिंतेचा विषय आहे. औद्योगिक प्रक्रियांमधून बाहेर पडणारा कार्बन डायऑक्साइड काढून घेण्यासाठी विविध भौतिक आणि रासायनिक शोषण पद्धती वापरल्या जातात. परंतु, या पद्धतींमध्ये कार्बन डायऑक्साइडचा फक्त साठा करता येतो. नंतर कायमस्वरूपी संग्रहासाठी या साठ्याला मोठ्या गोदामांमध्ये न्यावे लागते, ज्यासाठी वाढीव आर्थिक खर्च होतो.
प्राध्यापक कामेंद्र शर्मा यांच्या नेतृत्वाखाली भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई येथील संशोधकांनी कार्बन डायऑक्साइड गोळा करून त्याचा साठा करण्यासाठी आणि नंतर त्याचे रुपांतर कॅल्शियम कार्बोनेटसारख्या औद्योगिकदृष्ट्या महत्वाच्या रसायनामध्ये करण्यासाठी एक सच्छिद्र द्राव तयार केला आहे. या पद्धतीचे नाविन्य असे की यात द्रावाची सच्छिद्रता आणि उत्प्रेरक क्षमता यांचा मिलाफ केला आहे. उत्प्रेरक कार्याने कार्बन डाय ऑक्साईडचे कॅल्शियम कार्बोनेटमध्ये रूपांतर करण्यात येते. त्यानंतर हेच कॅल्शियम कार्बोनेट सच्छिद्र द्रावातून सहज बाहेर काढता येते, आणि द्रावाचा पुन्हा वापर केला जाऊ शकतो. मधासारखी प्रवाहिता असलेला हा सच्छिद्र द्राव सहजगत्या निर्माण करता येतो आणि प्रवाह सातत्य असणाऱ्या औद्योगिक प्रक्रियांमध्ये त्याचा समावेश करणे देखील सोपे आहे. ज्या तपमानात औद्योगिक प्रक्रिया केल्या जातात त्या तपमानालाही हा द्राव स्थिर गुणधर्म दाखवतो. हा अभ्यास युरोपियन केमिकल सोसायटीजच्या केमिस्ट्री-सस्टेनेबल-एनर्जी-मटेरिअल्स (ChemSusChem) या नियतकालिकात प्रकाशित करण्यात आला होता. यास औद्योगिक संशोधन सल्लागार केंद्र, आयआयटीबी आणि विज्ञान व अभियांत्रिकी संशोधन मंडळ (एसइआरबी), विज्ञान आणि तंत्रज्ञान विभाग (डीएसटी) भारत सरकार यांनी अर्थसहाय्य दिले होते.
आजवर, सच्छिद्र घन पदार्थांचा वापर औद्योगिक उत्सर्जनातील वायू गोळा करण्यासाठी केला जात आहे. परंतु, घन पदार्थ प्रवाही नसल्यामुळे, प्रवाह सातत्य असलेल्या औद्योगिक प्रक्रियांमध्ये अशा फिल्टर्सचा मागाहून किंवा बाहेरून अंतर्भाव करणे कठीण होते. द्रवपदार्थ देखील वायू शोषू शकतात, परंतु त्यांची वायू साठवण्याची क्षमता सच्छिद्र घन पदार्थांपेक्षा खूपच कमी असते. शिवाय, घन पदार्थांप्रमाणे, द्रवपदार्थांच्या रेण्वीय संरचनेमधील रिक्त जागा कायमस्वरूपी ठरलेल्या नसतात.
शास्त्रज्ञांनी २००७ मध्ये प्रथम कायमस्वरूपी रिक्त जागा असलेल्या द्रवपदार्थांची संकल्पना मांडली. २०१५ मध्ये पहिला सच्छिद्र द्राव तयार केला गेला. तेव्हापासून, शास्त्रज्ञांनी विविध पद्धती वापरून वायू शोषून घेण्यात सक्षम असे सच्छिद्र द्राव तयार करण्याचे प्रयत्न केले आहेत. त्यांनी ‘रेण्वीय पिंजरे’ असलेले स्थूल सेंद्रिय रेणू वापरले ज्यांची संरचना ते द्रवपदार्थात विरघळले तरीही अखंड राहते. तथापि, सच्छिद्र द्राव तयार करण्यासाठी वापरल्या जाणार्‍या परंपरागत कार्यपद्धतीमध्ये सेंद्रिय रसायनशास्त्रातील किचकट आणि बहु साखळी अभिक्रियांचा समवेश होतो.
प्राध्यापक शर्मा यांच्या गटाने २०१९ मध्ये सिद्ध केले की फक्त पोकळ सिलिका नॅनोरोड्स आणि एक पॉलिमर (आर्द्रता निदर्शक) एकत्र करून तयार केलेला सच्छिद्र द्राव सर्वसामान्य तपमानात कार्बन डायऑक्साइड गोळा करू शकतो. तथापि, या साठवलेल्या कार्बन डाय ऑक्साईडचे अधिक ऊर्जा व्यय न होता उपयुक्त रसायनात रूपांतर करणे हा विषय अधिक मोलाचा आहे.
प्रस्तुत अभ्यासात, संशोधकांच्या गटाने सच्छिद्र द्राव आणि बायोकॉन्ज्युगेटेड कार्बोनिक अनहायड्रेस (बीसीए) नावाचे विकर व कॅल्शियम क्लोराईड मिळून एक संमिश्र द्राव तयार केला. पोकळ सिलिका नॅनोरोड्समध्ये शोषलेल्या कार्बन डायऑक्साइड बरोबर विकराची क्रिया होऊन त्याचे बायकार्बोनेट आयनमध्ये रूपांतर होते. बहुतेक विकरांना सक्रिय होण्यासाठी पाण्याची आवश्यकता असते. तथापि, सच्छिद्र द्रावातील पॉलिमेरिक वातावरणात बीसीए खूप चांगले कार्य करते.
जेव्हा कार्बन डायऑक्साइड सच्छिद्र द्रावातून प्रवास करतो तेव्हा तो सिलिका नॅनोरोड्समधील रिकाम्या पोकळ्यांमध्ये अडकतो. अशा पद्धतीने गोळा झाल्यानंतर, कार्बन डायऑक्साइड हळूहळू नॅनोरोड्समधून बाहेर पडतो. सर्वसाधारण तपमानामध्ये तो बीसीए बरोबर मिसळून बायकार्बोनेट आयन तयार होतात. हे आयन कॅल्शियम क्लोराईडमधील कॅल्शियम आयन्सबरोबर जोडले जाऊन मायक्रोमीटर आकाराचे कॅल्शियम कार्बोनेटचे खडे तयार होतात. संपूर्ण तंत्रप्रणालीचे तापमान वाढवून हे खडे गाळ प्रक्रियेद्वारे बाहेर काढले जाऊ शकतात. कॅल्शियम कार्बोनेट काढून टाकल्यानंतर सच्छिद्र द्राव पुन्हा वापरला जाऊ शकतो. कॅल्शियम कार्बोनेटचा वापर बांधकाम साहित्य, सिरॅमिक टाइल्स, खडू आणि आरोग्य पूरक साधने बनवण्यासाठी केला जातो.
कमी तापमानात हा सच्छिद्र द्राव कार्बन डायऑक्साइडला साठवून देखील ठेऊ शकतो. जेव्हा सच्छिद्र द्राव -६००से. पर्यंत गोठवला जातो, तेव्हा सच्छिद्र द्रावातील सिलिका नॅनोरॉड्सचे पॉलिमर कवच काचेसारखे बनते आणि कार्बन डायऑक्साइड नॅनोरोड्समध्ये अडकून राहतो. जेव्हा तापमान सामान्य होते, तेव्हा कार्बन डाय ऑक्साईड पुन्हा बाहेर पडू लागतो, व त्याचे कॅल्शियम कार्बोनेटमध्ये रूपांतरण सुरू होते.
संशोधकांनी आपल्या प्रयोगाने सिद्ध केले की विकराचा अंतर्भाव केल्याने नॅनोरॉड्सचा आकार किंवा त्यांची कार्बन डायऑक्साइड गोळा करण्याची क्षमता बदलत नाही. संमिश्रातील प्रत्येक घटकाची भूमिका तपासण्यासाठी त्यांनी प्रयोगशाळेत नियंत्रित प्रयोग केले. या प्रयोगांद्वारे असे निदर्शनास आले की नॅनोरॉड्स कार्बन डायऑक्साईडला अडवत होते आणि विकराची क्रिया होऊन कार्बन डायऑक्साइडचे कॅल्शियम कार्बोनेटमध्ये रूपांतर होत होते. तसेच या विकराच्या अनुपस्थितीत कॅल्शियम कार्बोनेट तयार होऊ शकले नाही.
“प्रस्तावित सच्छिद्र द्राव कोणत्याही वायूसाठी वापरला जाऊ शकतो कारण नॅनोरोड्समधील छिद्रांचा आकार वायूच्या रेणूंपेक्षा मोठा आहे. सुयोग्य उत्प्रेरक आणि चपखल अभिक्रियाकारक रसायन योजले असता, विविध वायूंचे उपयुक्त रसायनांमध्ये रूपांतर करता येऊ शकते,” असे प्रा. शर्मा म्हणाले.
प्रयोगांच्या आणखी एका संचामध्ये, प्राध्यापक शर्मा यांच्या गटाने निरीक्षण केले की द्रवपदार्थाच्या पृष्ठभागावरचा ताण कमी करू शकणारे पॉलिमर द्रव स्वरूपात असल्यामुळे आयन नीट पसरू शकतात आणि रासायनिक प्रक्रियाही सुलभ होते, जे घन पदार्थांमध्ये इतक्या सहज होऊ शकत नाही. कार्बन डायऑक्साइड कॅल्शियम कार्बोनेटमध्ये रूपांतरित झाल्यामुळे आम्लधर्मीय सच्छिद्र द्राव उदासीन बनतो. निदर्शक म्हणून कमीकमी होत जाणाऱ्या आम्लतेबरहुकुम रंग बदलणारा डाय वापरला तर रूपांतर पूर्ण झाल्याची खातरजमा दृष्टीने केली जाऊ शकते. असा डाय वापरला तर कोणत्याही रासायनिक चाचण्या किंवा सूक्ष्म निरीक्षणांची आवश्यकता राहणार नाही. डाय पद्धत ही रासायनिक अभिक्रिया संपल्याचा झटपट निर्वाळा देणारी सोपी पद्धत आहे जिच्यामुळे उद्योगांचा वेळ खूपच वाचू शकतो.
“व्यावसायिकरित्या उपलब्ध असलेल्या मिझोपोरस सिलिकाच्या (एक घन पदार्थ) तुलनेत त्याइतक्याच समान आकारमानाच्या सच्छिद्र द्रावाची कार्बन डायऑक्साइड शोषण्याची क्षमता एक पंचमांश एवढी असते. परंतु सच्छिद्र द्राव प्रवाही असतो म्हणून त्याचा प्रणालीमध्ये नंतर समावेश करणे आणि संपल्यावर पुनर्भरण करणे सोपे असते. यामुळे याचा तांत्रिक लाभ लगेच आणि दीर्घकाळ मिळू शकतो,” अशी प्रा. शर्मा यांनी माहिती दिली.
औद्योगिक संस्थांमध्ये सच्छिद्र द्राव वापरता यावा यासाठी त्याचे व्यावसायिक मुल्यांकन अद्याप सुनिश्चित केले गेले नाही. सध्या, सच्छिद्र द्रावाची किंमत व्यावसायिक स्तरावर व्यवहार्य असण्याच्या दृष्टीने खूप जास्त आहे. विकर हा सर्वात खर्चिक घटक असल्याने, संशोधक ते बनवण्याचा सोपा मार्ग किंवा इतर स्वस्त पर्याय शोधण्याचे काम करत आहेत. अभियंत्यांना कार्बन डायऑक्साईडचे मंदगतीने प्रवाहात मिसळणे आणि त्याचे कॅल्शियम कार्बोनेटमध्ये रूपांतर होणे यासाठी आवश्यक असलेले प्रवाह दर आणि इतर संबंधित मापदंडांचा आराखडा अत्यंत काळजीपूर्वक करणे आवश्यक आहे.
“आम्ही औद्योगिक उत्सर्जनातून बाहेर पडणारा कार्बन डायऑक्साईड गोळा करून त्याचा संग्रह तसेच त्याचे कॅल्शियम कार्बोनेटमध्ये रूपांतर होण्यासाठीच्या प्रक्रियेचे अथ पासून इतिपर्यंत निरसन होईल अशा संकल्पनेचा पुरावा (प्रूफ ऑफ कन्सेप्ट) सादर केला आहे. वापरलेली सर्व सामग्री उच्च तापमानात स्थिर गुणधर्म दाखवते; सच्छिद्र द्राव औद्योगिक तापमानात विघटन न होता कार्य करू शकतो. ५०० से. तापमानापर्यंत कार्बन डायऑक्साईड अडवणे आणि त्याचे रूपांतरण यांच्या दरात लक्षणीय घट होत नाही. उच्च तापमानातसुद्धा कार्बन डायऑक्साइड गोळा करण्याच्या कार्यक्षमतेचे मूल्यांकन करणे आवश्यक आहे,” असे मत प्रा. शर्मा यांनी शेवटी व्यक्त केले.