कोरिया का अत्यंत दक्ष सौर डिस्टिलर
दक्षिण कोरिया के उल्सान नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (UNIST) की एक शोध टीम ने सौर ऊर्जा से चलने वाला विलवणीकरण उपकरण विकसित किया है। टीम के अनुसार, यह एक सूर्य के मानक प्रकाश में प्रति वर्ग मीटर प्रति घंटे 3.4 लीटर पानी वाष्पित करता है। यह प्रोटोटाइप बिना किसी बाहरी बिजली के, सूर्य के प्रकाश और La0.7Sr0.3MnO3 नामक उन्नत फोटोथर्मल पदार्थ का उपयोग करके समुद्री पानी को पीने योग्य पानी में बदलता है। उपकरण सौर विलवणीकरण की सबसे कठिन समस्याओं में से एक का भी समाधान करता है: वाष्पीकरण सतह पर नमक जमना, जिससे प्रकाश रुकता है और प्रदर्शन ठप पड़ जाता है। घुले हुए नमक को गर्म केंद्र से दूर किनारों की ओर ले जाकर, यह प्रणाली लंबे समय तक काम करती रहती है और स्वच्छ जलवाष्प बनाती है, जिसे संघनित करके तरल पानी में बदला जा सकता है।
विषय-सूची
UNIST के स्कूल ऑफ एनर्जी एंड केमिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर जी ह्यून जांग के नेतृत्व में हुआ यह काम, जो Advanced Energy Materials में प्रकाशित हुआ है, कागज-आधारित सरल जल-शोषक संरचना को उच्च दक्षता वाली फोटोथर्मल सतह के साथ जोड़ता है। टिकाऊपन के परीक्षणों में उपकरण ने 20 प्रतिशत नमक वाले घोल में दो सप्ताह तक स्थिरता से काम किया। यह सामान्य समुद्री पानी की 3.5 प्रतिशत लवणता से कहीं अधिक है। टीम का कहना है कि इसी डिजाइन से संसाधनों को भी पुनः प्राप्त किया जा सकता है: गाढ़े नमकीन पानी को समुद्र में छोड़ने के बजाय किनारों पर नमक का क्रिस्टलीकरण करके उसे इकट्ठा किया जा सकता है।
पानी की कमी झेल रहे क्षेत्रों की संख्या बढ़ने के साथ निष्क्रिय सौर विलवणीकरण में दिलचस्पी बढ़ रही है। अरबों लोगों को सुरक्षित रूप से प्रबंधित पेयजल की नियमित उपलब्धता नहीं है। तटीय समुदाय अक्सर डीजल से चलने वाले रिवर्स ऑस्मोसिस संयंत्रों पर निर्भर हैं, जिन्हें चलाना महंगा है और जो बड़ी मात्रा में नमकीन अवशिष्ट जल पैदा करते हैं। केवल सूर्य के प्रकाश से ताजा पानी बनाने वाली, कम रखरखाव की जरूरत वाली और बिजली ग्रिड पर निर्भर न रहने वाली मॉड्यूलर प्रणाली दूरदराज के गांवों, द्वीपों, खेतों और आपदा राहत अभियानों की अहम जरूरतें पूरी कर सकती है। UNIST का उपकरण इसी जरूरत को ध्यान में रखकर बनाया गया है। यह बड़े संयंत्रों के उच्च उत्पादन वाले बुनियादी ढांचे की जगह साधारण सामग्री, उपयोगी संरचना और सूर्य के प्रकाश का सहारा लेता है।
यह उपकरण कैसे काम करता है
UNIST के डिजाइन में पानी सोखने वाले कागज से बना खास उल्टे L आकार का वाष्पीकारक है। यह कागज लिटमस पेपर की तरह काम करता है और केशिका क्रिया से समुद्री पानी को ऊपर खींचता है। इसके ऊर्ध्वाधर हिस्से के शीर्ष पर La0.7Sr0.3MnO3 से बनी प्रकाश-अवशोषक फोटोथर्मल परत है। यह एक पेरोव्स्काइट ऑक्साइड है, जो आने वाले सूर्य के प्रकाश को उच्च दक्षता से ऊष्मा में बदलता है। समुद्री पानी जब इस गर्म सतह तक पहुंचता है, तो तेजी से वाष्पित हो जाता है और नमक पीछे रह जाता है। फिर जलवाष्प ठंडी सतह तक पहुंचता है, जहां वह संघनित होकर तरल ताजे पानी के रूप में इकट्ठा किया जाता है।
इसमें प्रवाह की दिशा अहम है। टीम ने गर्म सतह पर तरल को एक ही दिशा में बहने के लिए डिजाइन किया, जिससे नमक-सांद्रता का ढाल बनता है। घुले हुए आयन किनारों के पास कम जल सक्रियता वाले क्षेत्रों की ओर बढ़ते हैं और वहां ठोस नमक के रूप में क्रिस्टलीकृत होते हैं, जहां वे प्रकाश को नहीं रोकते। स्वयं-सफाई का यह प्रभाव केंद्रीय फोटोथर्मल क्षेत्र को सूर्य के प्रकाश के लिए खुला रखता है, जबकि नमक किनारों पर जमा होता है, जहां से उसे हटाया या दोबारा इस्तेमाल किया जा सकता है। संरचना और तरल के प्रवाह का रास्ता अधिकांश काम कर देते हैं, जिससे पंप, झिल्ली या बार-बार हाथ से सफाई की जरूरत घटती है।
La0.7Sr0.3MnO3 पदार्थ क्यों खास है
इस उपकरण के केंद्र में La0.7Sr0.3MnO3 है, जिसे अक्सर संक्षेप में LSMO कहा जाता है। यह पेरोव्स्काइट ऑक्साइड है, यानी ऐसे पदार्थों के वर्ग से जुड़ा है जिनके प्रकाशीय और विद्युत गुणों को बदला जा सकता है। सौर कोशिकाओं में आम सीसा-आधारित हैलाइड पेरोव्स्काइट के विपरीत, LSMO में लैंथेनम, स्ट्रॉन्शियम और मैंगनीज होते हैं और यह वाष्पशील या जहरीले सीसे पर निर्भर नहीं करता। इस कारण यह पानी से जुड़े अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है, जहां स्थिरता और पर्यावरणीय सुरक्षा जरूरी हैं।
सूर्य के प्रकाश में उत्तेजित आवेश वाहकों के साथ यह जिस तरह व्यवहार करता है, उसी के कारण LSMO फोटोथर्मल कनवर्टर के रूप में कारगर है। सरल शब्दों में, इस पदार्थ की इलेक्ट्रॉनिक संरचना में ट्रैप अवस्थाएं बनती हैं। जब प्रकाश इलेक्ट्रॉनों को ऊंची ऊर्जा वाली अवस्थाओं में पहुंचाता है, तो उनमें से कई बिना प्रकाश उत्सर्जित किए फिर से संयोजित हो जाते हैं और अपनी ऊर्जा सीधे ऊष्मा के रूप में छोड़ते हैं। इस गैर-विकिरणीय प्रक्रिया को अक्सर थर्मलाइजेशन कहा जाता है। इससे आने वाली सौर ऊर्जा का बड़ा हिस्सा सतह पर स्थानीय ऊष्मा में बदल जाता है। ऊष्मा का कुशल उत्सर्जन तापमान तेजी से बढ़ाता है और सूर्य के प्रकाश की समान मात्रा में वाष्पीकरण को तेज करता है।
नमक की समस्या से निपटना
नमक जमने की समस्या लंबे समय से सौर विलवणीकरण की राह में बाधा रही है। पानी के वाष्पित होने पर घुले हुए नमक की सांद्रता बढ़ती है और अंततः वह गर्म सतह पर क्रिस्टल बनकर जम जाता है। ये क्रिस्टल प्रकाश बिखेरते हैं और ऊष्मा के स्थानांतरण को रोकते हैं, जिससे वाष्पीकरण की दर तेजी से गिरती है। पहले की कई प्रणालियां कुछ घंटे अच्छी तरह चलती थीं, लेकिन फिर उन्हें साफ करना पड़ता था या नमक बहाकर निकालने के लिए रोकना पड़ता था। UNIST की टीम जटिल कोटिंग या चलने वाले पुर्जों के बजाय संरचना और नियंत्रित प्रवाह से इस चुनौती का समाधान करती है।
उल्टे L आकार और एकदिशीय प्रवाह से नमक का स्थिर ढाल बनता है, जो आयनों को सबसे तेज रोशनी वाले गर्म क्षेत्र से दूर ले जाता है। किनारों पर क्रिस्टल बनते और बढ़ते हैं, जहां उन्हें आसानी से इकट्ठा किया जा सकता है। प्रयोगशाला परीक्षणों में उपकरण ने 20 प्रतिशत कुल घुले हुए नमक वाले बेहद खारे घोल में भी दो सप्ताह तक काम किया। यह स्तर औद्योगिक प्रक्रियाओं से निकलने वाले नमकीन अवशिष्ट जल के लिए सामान्य है और खुले समुद्र के पानी से कहीं अधिक है। इससे वास्तविक समुद्री पानी के साथ संचालन के लिए पर्याप्त गुंजाइश और नमकीन पानी को गाढ़ा करने तथा संसाधन पुनः प्राप्त करने में संभावित उपयोग का संकेत मिलता है।
प्रदर्शन के आंकड़ों का संदर्भ
बताई गई वाष्पीकरण दर एक सूर्य के मानक प्रकाश में 3.40 किलोग्राम प्रति वर्ग मीटर प्रति घंटा है। एक सूर्य का मतलब है करीब एक किलोवाट प्रति वर्ग मीटर की मानक परीक्षण-सौर रोशनी। ऐसे ही परीक्षणों में कई निष्क्रिय सौर डिस्टिलर प्रति वर्ग मीटर प्रति घंटे करीब 0.3 से 0.4 किलोग्राम पानी बनाते हैं, इसलिए UNIST का प्रोटोटाइप आठ से दस गुना तेज है। वास्तविक उपयोग में रोजाना पानी का उत्पादन पूरे दिन की स्थानीय धूप और वाष्प को फिर से तरल बनाने वाले कंडेंसर की दक्षता पर निर्भर करता है। तेज धूप में कई घंटे चलने पर, बताई गई दर से एक वर्ग मीटर का मॉड्यूल रोजाना कई दसियों लीटर पानी दे सकता है। कई मॉड्यूल की कतारें लगाकर उत्पादन और बढ़ाया जा सकता है।
वाष्पीकरण की दर और उपयोग के लिए उपलब्ध पेयजल की मात्रा में अंतर समझना जरूरी है। प्रयोगशाला का आंकड़ा बताता है कि हर घंटे गर्म सतह से वाष्प के रूप में कितना द्रव्यमान निकलता है। वास्तविक प्रणालियों में ऊष्मा का नुकसान घटाते हुए इस वाष्प को लगभग पूरा इकट्ठा करके स्वच्छ टैंक में संघनित करना होता है। कंडेंसर का अच्छा डिजाइन, ऊष्मा का इन्सुलेशन और गुप्त ऊष्मा का पुनः उपयोग, कुल उत्पादन को वाष्पीकारक की दर के करीब ला सकते हैं। UNIST टीम के अनुसार, उपकरण की सतह पर परतें न जमने की क्षमता भी स्थिर उत्पादन का एक मुख्य कारण है, क्योंकि साफ फोटोथर्मल सतह समय के साथ प्रकाश का अवशोषण और ऊष्मा का निर्माण बनाए रखती है।
पारंपरिक विलवणीकरण से तुलना
आधुनिक विलवणीकरण में रिवर्स ऑस्मोसिस का सबसे अधिक इस्तेमाल होता है। इसमें समुद्री पानी को उच्च दबाव पर महीन झिल्लियों से गुजारा जाता है, जिससे शहरों और उद्योगों के लिए बड़ी मात्रा में ताजा पानी बनता है। हालांकि इसके साथ कुछ समझौते भी जुड़े हैं। रिवर्स ऑस्मोसिस में हर घन मीटर पानी के लिए कई किलोवाट-घंटे बिजली लगती है, झिल्लियों को सुरक्षित रखने के लिए पूर्व-उपचार जरूरी होता है और गाढ़ा नमकीन अवशिष्ट जल निकलता है, जिसका जिम्मेदारी से प्रबंधन करना पड़ता है। ऐसे संयंत्रों में पूंजीगत लागत अधिक होती है और वे आम तौर पर बिजली ग्रिड या समर्पित ऊर्जा स्रोतों से जुड़े होते हैं।
UNIST के डिजाइन जैसा निष्क्रिय सौर वाष्पीकारक दबाव, पंप और बिजली की भारी मांग से बचता है। यह प्रति इकाई समय और क्षेत्रफल में कम पानी बनाता है, लेकिन ग्रिड से बाहर, शांत ढंग से और आसान रखरखाव के साथ काम कर सकता है। नमक को किनारों पर क्रिस्टलीकृत करने से नमकीन अवशिष्ट जल की मात्रा भी घटती है। उपयुक्त जलवायु में ऐसे मॉड्यूलर वाष्पीकारकों का समूह घरों, स्वास्थ्य केंद्रों या खेतों के लिए पेयजल दे सकता है, जबकि बड़े संयंत्र सामुदायिक जरूरतें पूरी कर सकते हैं। शहरों के लिए सौर वाष्पीकरण से बड़े उत्पादन वाले संयंत्रों की जगह लेने की संभावना कम है। यह बिजली ग्रिड के छोर पर बसे दूरदराज के इलाकों के लिए भरोसेमंद बैकअप या समाधान बन सकता है।
उपयोग और तैनाती के रास्ते
यह उपकरण उन जगहों के लिए बनाया गया है जहां बिजली ग्रिड सीमित है और रखरखाव दल कम उपलब्ध हैं। द्वीपीय समुदाय, मछुआरों के गांव और तटीय खेत इसके उदाहरण हैं। तूफान, भूकंप या संघर्ष के बाद, जब पानी का बुनियादी ढांचा ठप हो जाता है, तब मानवीय राहत अभियानों में भी यह काम आ सकता है। टीम की परिकल्पना मॉड्यूलर है, इसलिए कम जरूरत के लिए एक पैनल और अधिक मांग के लिए कई पैनलों के समूह लगाए जा सकते हैं। कम शोर और उच्च दबाव वाले उपकरणों की अनुपस्थिति इसे स्कूलों और स्वास्थ्य केंद्रों के लिए भी उपयुक्त बनाती है, जहां भरोसेमंद संचालन और सुरक्षा अहम हैं।
यह डिजाइन नमक को किनारों तक पहुंचाता है, इसलिए प्रणाली संसाधन पुनः प्राप्त करने के साधन के रूप में भी काम कर सकती है। गाढ़ा तरल नमकीन पानी छोड़ने के बजाय, संचालक सूखा नमक और अन्य क्रिस्टलीकृत खनिज इकट्ठा कर सकते हैं। इससे पर्यावरणीय असर घट सकता है और आय का एक छोटा स्रोत बन सकता है। टीम ने भविष्य के ऐसे संस्करणों का सुझाव दिया है, जिनमें कई उल्टे L आकार के वाष्पीकारकों को बड़े मॉड्यूल में जोड़ा जाएगा। इससे मौके पर स्थापना और रखरखाव अधिक आसान हो सकता है।
बड़े पैमाने पर उपयोग और इंजीनियरिंग की चुनौतियां
प्रयोगशाला के प्रोटोटाइप से वास्तविक उपयोग के उपकरण तक पहुंचने के लिए सामग्री, निर्माण और ऊष्मा प्रबंधन पर सावधानी से ध्यान देना होगा। वाष्पीकारक की कागजी बत्ती को महीनों तक गीले और सूखे होने के चक्र, समुद्री जीवों से होने वाली जैविक परतों और पराबैंगनी विकिरण का सामना करना होगा। फोटोथर्मल सतह को कम से कम क्षरण के साथ प्रकाश अवशोषित करने और ऊष्मा में बदलने की क्षमता बनाए रखनी होगी। LSMO एक ऑक्साइड पेरोव्स्काइट है और इसमें अच्छी तापीय स्थिरता है, जो इस काम में मददगार है। लागत उत्पादन के तरीकों पर निर्भर करेगी। कम तापमान पर बड़े क्षेत्र में एकसमान कोटिंग करने वाली तकनीकें खर्च घटा सकती हैं और उत्पादन की एकरूपता बेहतर कर सकती हैं।
संघनन और ऊष्मा की पुनर्प्राप्ति प्रणाली की दक्षता के लिए अहम हैं। हर किलोग्राम वाष्प में बड़ी मात्रा में गुप्त ऊष्मा होती है। आने वाले समुद्री पानी के साथ ऊष्मा साझा करने वाली सतहों पर वाष्प को संघनित करने वाले डिजाइन उस ऊर्जा को दोबारा इस्तेमाल कर सकते हैं और कुल उत्पादन बढ़ा सकते हैं। आवरण ऐसा होना चाहिए कि ऊष्मा का नुकसान और वाष्प का रिसाव कम हो, लेकिन उसे साफ करना आसान रहे। धूल, पानी की फुहार और नमक के क्रिस्टलों को साफ करने की सरल दिनचर्या से संभालना होगा। बहुत अधिक लवणता पर किए गए टीम के टिकाऊपन परीक्षण उत्साहजनक हैं, लेकिन तटीय वातावरण में कई महीने के परीक्षणों से दीर्घकालीन मजबूती और रखरखाव की जरूरत साबित करने में मदद मिलेगी। सहायता संगठनों और स्थानीय उपयोगिता कंपनियों के साथ साझेदारी ऐसे परीक्षणों में मदद कर सकती है और अलग-अलग जलवायु के लिए डिजाइन के फैसलों का मार्गदर्शन कर सकती है।
जलवायु और स्थिरता के पहलू
बिजली ग्रिड से बाहर के स्थानों के लिए सौर विलवणीकरण के जलवायु संबंधी फायदे स्पष्ट हैं। यह बिजली की जगह सूर्य के प्रकाश का उपयोग करता है और डीजल जनरेटर में ईंधन की खपत तथा उत्सर्जन से बचाता है। फिर भी, लैंथेनम और स्ट्रॉन्शियम के स्रोत से लेकर अवशोषक और आवरण के निर्माण तक, पूरे जीवन चक्र के प्रभाव मायने रखते हैं। टिकाऊ सामग्री और सरल असेंबली से उपकरण की परिचालन उम्र बढ़ाई जा सकती है और निर्माण में लगी कार्बन मात्रा को कई वर्षों की सेवा में बांटा जा सकता है। उच्च दबाव वाले पंप न होने से ऊर्जा की खपत और शोर, दोनों घटते हैं। इससे तटीय समुदायों और वन्यजीवों को लाभ होता है।
इस प्रणाली से निकलने वाला अपशिष्ट पारंपरिक संयंत्रों से अलग है। किनारों पर नमक का क्रिस्टलीकरण करके UNIST का तरीका तट के पास के पानी में गाढ़े नमकीन अवशिष्ट जल का बहाव घटा सकता है। जहां संभव हो, इकट्ठे किए गए नमक का औद्योगिक प्रक्रियाओं में पुनः उपयोग किया जा सकता है या उसे सुरक्षित रूप से नमक के खेतों में लौटाया जा सकता है। यह विलवणीकरण को समुद्री पारिस्थितिकी तंत्र के अनुकूल बनाने और वैश्विक विकास लक्ष्यों के तहत स्वच्छ जल तथा स्वच्छता के प्रयासों से मेल खाता है। जलवायु परिवर्तन से सूखा और लू अधिक तीव्र होने के साथ, बहुत कम ऊर्जा में प्रचुर समुद्री पानी को सुरक्षित पेयजल में बदलने वाले व्यावहारिक साधन कई स्थानीय अनुकूलन योजनाओं का हिस्सा बनेंगे।
जानने योग्य बातें
- UNIST के शोधकर्ताओं ने बिना बिजली चलने वाला सौर विलवणीकरण उपकरण बनाया है, जो एक सूर्य के मानक प्रकाश में 3.40 किलोग्राम प्रति वर्ग मीटर प्रति घंटे की दर बताता है।
- इस डिजाइन में समुद्री पानी को फोटोथर्मल सतह तक पहुंचाने के लिए कागजी बत्ती और उल्टे L आकार की संरचना का उपयोग होता है।
- फोटोथर्मल परत La0.7Sr0.3MnO3 है, जो एक ऑक्साइड पेरोव्स्काइट है और गैर-विकिरणीय पुनर्संयोजन के जरिए सूर्य के प्रकाश को ऊष्मा में बदलता है।
- एकदिशीय प्रवाह नमक को किनारों तक ले जाता है, जिससे गर्म केंद्र पर परतें जमना और प्रकाश रुकना घटता है।
- टिकाऊपन परीक्षणों में 20 प्रतिशत नमक वाले घोल में दो सप्ताह तक स्थिर संचालन देखा गया, जो सामान्य समुद्री पानी से अधिक है।
- आम निष्क्रिय सौर डिस्टिलर प्रति वर्ग मीटर प्रति घंटे 0.3 से 0.4 किलोग्राम पानी देते हैं, इसलिए बताई गई दर करीब आठ से दस गुना अधिक है।
- यह अवधारणा नमक इकट्ठा करने में मदद करती है और कई पारंपरिक तरीकों की तुलना में तरल नमकीन अवशिष्ट जल का बहाव घटाती है।
- मॉड्यूलों के समूह गांवों, स्वास्थ्य केंद्रों, द्वीपों और आपदा राहत अभियानों के लिए ग्रिड से बाहर पानी दे सकते हैं।
- यह शोध Advanced Energy Materials में प्रकाशित हुआ है। इसका नेतृत्व प्रोफेसर जी ह्यून जांग ने किया और प्रमुख लेखक डॉ. सौरव चौले हैं।
- वास्तविक उपयोग में पानी की मात्रा और लागत का पता क्षेत्रीय परीक्षणों, कंडेंसर के डिजाइन और बड़े पैमाने पर निर्माण से चलेगा।
