शुष्क विश्व की प्यास बुझाना: कॉम्पैक्ट ईंधन-चालित वायुमंडलीय जल संचयक
जैसे-जैसे वैश्विक जनसंख्या बढ़ती जा रही है और जलवायु परिवर्तन पारंपरिक जल स्रोतों को बाधित कर रहा है, मीठे पानी के उत्पादन के लिए अभिनव तरीकों की आवश्यकता पहले कभी इतनी अधिक नहीं रही। दुनिया भर में 4 बिलियन से अधिक लोग पानी की कमी वाले क्षेत्रों में रहते हैं, और विशेषज्ञों का अनुमान है कि आने वाले दशकों में यह संख्या और बढ़ेगी। इस बड़ी चुनौती का सामना करने के लिए विकेंद्रीकृत, विश्वसनीय तकनीकों की आवश्यकता है जो सबसे शुष्क जलवायु में भी हवा से पानी निकाल सकें।
सोखना-आधारित वायुमंडलीय जल संचयन (SAWH) उपकरणों के रूप में एक आशाजनक समाधान सामने आया है। ये सिस्टम चक्रीय अधिशोषण और विशोषण प्रक्रिया के माध्यम से हवा से जल वाष्प को पकड़ने के लिए सोरबेंट्स नामक छिद्रपूर्ण सामग्रियों का लाभ उठाते हैं। हाल के वर्षों में SAWH में तेजी से प्रगति देखी गई है, जिसमें नवीन सोरबेंट सामग्री और अभिनव उपकरण डिजाइन संभव की सीमाओं को आगे बढ़ा रहे हैं। हालाँकि, SAWH को दुनिया भर में एक व्यवहार्य मीठे पानी के समाधान के रूप में व्यापक रूप से तैनात किए जाने से पहले महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग चुनौतियाँ बनी हुई हैं।
यूटा विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इन चुनौतियों का सामना करते हुए अपनी तरह का पहला SAWH प्रोटोटाइप विकसित किया है जो कॉम्पैक्ट, रैपिड साइकलिंग और ईंधन से चलने वाले डिसोर्प्शन का लाभ उठाकर कम जगह में अभूतपूर्व जल उत्पादन प्राप्त करता है। उनका "कॉम्पैक्ट रैपिड साइकलिंग फ्यूल-फ़ायर" (CRCF) उपकरण SAWH को एक व्यावहारिक वास्तविकता बनाने की दिशा में एक बड़ा कदम है, जो इस आशाजनक तकनीक को व्यापक रूप से अपनाने में बाधा डालने वाली प्रमुख सीमाओं को संबोधित करता है।
कॉम्पैक्ट, उच्च-प्रदर्शन SAWH की खोज
SAWH उपकरण सोखना और विशोषण चरणों के माध्यम से सोखना सामग्री को चक्रित करके काम करते हैं। सोखना के दौरान, सोखना सामग्री परिवेशी वायु से जल वाष्प को अवशोषित करती है। जब सोखना संतृप्त हो जाता है, तो इसे गर्म करके कैप्चर किए गए पानी को छोड़ा जाता है, जिसे बाद में तरल रूप में संघनित किया जाता है। यह चक्रीय प्रक्रिया SAWH सिस्टम को हवा से लगातार ताजा पानी बनाने की अनुमति देती है।
जबकि SAWH की मूल अवधारणा सीधी है, इन उपकरणों के प्रदर्शन और कॉम्पैक्टनेस को अनुकूलित करना चुनौतीपूर्ण साबित हुआ है। एक प्रमुख मीट्रिक दैनिक जल उत्पादकता (P) है, जो सोरबेंट सामग्री के प्रति इकाई द्रव्यमान से उत्पादित पानी की मात्रा को मापता है। SAWH सिस्टम के आकार और लागत को कम करने के लिए P को अधिकतम करना महत्वपूर्ण है। एक अन्य महत्वपूर्ण मीट्रिक वॉल्यूमेट्रिक उत्पादकता (Pv) है, जो सोखने वाले सिस्टम के प्रति इकाई आयतन में दैनिक जल उत्पादन को निर्धारित करता है। उच्च Pv कॉम्पैक्ट, स्थान-कुशल SAWH डिवाइस को सक्षम बनाता है।
हाल ही में SAWH के नवाचारों ने उच्च जल अवशोषण और तीव्र अवशोषण/शोषण गतिकी के साथ नवीन सोरबेंट सामग्री विकसित करने पर बहुत अधिक ध्यान केंद्रित किया है। धातु-कार्बनिक ढांचे (MOF) एक विशेष रूप से आशाजनक सोरबेंट वर्ग के रूप में उभरे हैं, जो असाधारण जल संग्रहण क्षमता प्रदान करते हैं। हालाँकि, केवल सामग्री में प्रगति पर्याप्त नहीं है - सिस्टम-स्तरीय इंजीनियरिंग SAWH की पूरी क्षमता को अनलॉक करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।
अध्ययन के मुख्य लेखक और यूटा विश्वविद्यालय में मैकेनिकल इंजीनियरिंग के सहायक प्रोफेसर समीर राव बताते हैं, "समकालीन SAWH शोध में अक्सर सिस्टम डिज़ाइन और एकीकरण के महत्व को अनदेखा किया गया है।" "उत्पादकता मीट्रिक - P और Pv - दोनों में उच्च प्रदर्शन प्राप्त करना SAWH को एक व्यावहारिक, व्यापक रूप से लागू करने योग्य तकनीक बनाने के लिए महत्वपूर्ण है।"
राव और उनकी टीम ने माना कि SAWH की सिस्टम-स्तरीय चुनौतियों का समाधान करने के लिए एक नए दृष्टिकोण की आवश्यकता होगी। उनका समाधान CRCF डिवाइस था, जो मौजूदा SAWH सिस्टम की दो प्रमुख सीमाओं से निपटता है: विशोषण के लिए रुक-रुक कर आने वाली सौर ऊर्जा पर निर्भरता, और कॉम्पैक्ट, उच्च-घनत्व वाले जल उत्पादन को प्राप्त करने में कठिनाई।
वायुमंडलीय जल संचयन के भविष्य को बढ़ावा देना
पारंपरिक SAWH उपकरण अक्सर विशोषण प्रक्रिया को शक्ति प्रदान करने के लिए सौर ऊर्जा या बिजली का उपयोग करते हैं, जहाँ कैप्चर किए गए पानी को सोरबेंट सामग्री से मुक्त किया जाता है। यह दृष्टिकोण धूप वाले, ग्रिड से जुड़े स्थानों में अच्छी तरह से काम करता है, लेकिन यह महत्वपूर्ण सीमाएँ पेश करता है। सौर ऊर्जा से चलने वाले सिस्टम दिन के उजाले के घंटों और मौसम की स्थिति पर निर्भर होते हैं, जबकि विद्युत चालित सिस्टम को लगातार संचालित करने के लिए महंगी ऊर्जा भंडारण की आवश्यकता होती है।
राव और उनकी टीम द्वारा विकसित CRCF प्रोटोटाइप एक अलग दृष्टिकोण अपनाता है, जिसमें विशोषण प्रक्रिया को चलाने के लिए एक कॉम्पैक्ट दहन-आधारित ताप स्रोत का उपयोग किया जाता है। तरल ईंधन के उच्च ऊर्जा घनत्व का उपयोग करके, CRCF डिवाइस सूर्य या विद्युत ग्रिड से स्वतंत्र रूप से काम कर सकता है, जिससे पूरे दिन विश्वसनीय जल उत्पादन संभव हो पाता है।
राव कहते हैं, "ईंधन से चलने वाला विशोषण SAWH के लिए एक बड़ा बदलाव है।" "यह हमें सिस्टम को बीच-बीच में आने वाले ऊर्जा स्रोतों से अलग करने की अनुमति देता है, जिससे वास्तव में स्वायत्त, ऑफ-ग्रिड जल संचयन का मार्ग प्रशस्त होता है।"
CRCF डिवाइस में एक कस्टम-डिज़ाइन किया गया एडसोर्बेंट हीट एक्सचेंजर (AHX) होता है, जिसमें सोरबेंट मटेरियल होता है - इस मामले में, एक एल्युमिनियम फ्यूमरेट MOF। AHX एक निष्क्रिय हीट पाइप असेंबली के माध्यम से ईंधन से चलने वाले हीट स्रोत से जुड़ा होता है, जो दहन की गर्मी को सोरबेंट में विशोषण के लिए कुशलतापूर्वक स्थानांतरित करता है। अधिशोषण चरण के दौरान, परिवेशी वायु AHX के माध्यम से खींची जाती है, जिससे MOF जल वाष्प को पकड़ सकता है। जब सोरबेंट संतृप्त हो जाता है, तो हीट पाइप पानी को छोड़ने के लिए आवश्यक तापीय ऊर्जा प्रदान करते हैं, जिसे फिर संघनित और एकत्र किया जाता है।
ईंधन से चलने वाला यह तरीका न केवल निरंतर संचालन को सक्षम बनाता है, बल्कि सौर ऊर्जा से चलने वाले सिस्टम की तुलना में अधिक कॉम्पैक्ट डिवाइस डिज़ाइन की अनुमति भी देता है। राव बताते हैं, "भारी सौर पैनलों और ऊर्जा भंडारण की आवश्यकता को समाप्त करके, हम CRCF डिवाइस को बहुत छोटे फ़ुटप्रिंट में पैकेज कर सकते हैं।" "यह वास्तविक दुनिया में तैनाती के लिए एक महत्वपूर्ण लाभ है, जहाँ स्थान और पोर्टेबिलिटी अक्सर प्रीमियम पर होती है।"
प्रोटोटाइप परीक्षण और प्रदर्शन अनुकूलन
सीआरसीएफ अवधारणा को मान्य करने और आगे सुधार के अवसरों की पहचान करने के लिए, शोधकर्ताओं ने इनडोर और आउटडोर प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित की। प्रोटोटाइप का परीक्षण पहले एक नियंत्रित प्रयोगशाला सेटिंग में किया गया था, जहाँ इसने प्रति किलोग्राम एमओएफ की 0.95 किलोग्राम दैनिक जल उत्पादकता और प्रति दिन एएचएक्स के प्रति घन मीटर 38.5 किलोग्राम की वॉल्यूमेट्रिक उत्पादकता हासिल की।
इसके बाद टीम ने CRCF डिवाइस को बाहर ले जाकर साल्ट लेक सिटी, यूटा की कठोर, शुष्क परिस्थितियों में रखा। 25 घंटों के दौरान, प्रोटोटाइप ने लगातार पाँच जल संचयन चक्र पूरे किए, जिससे कुल 266 ग्राम तरल पानी का उत्पादन हुआ। हालाँकि यह आउटडोर प्रदर्शन इनडोर परीक्षणों की तुलना में थोड़ा कम था, लेकिन चुनौतीपूर्ण पर्यावरणीय परिस्थितियों को देखते हुए यह अभी भी एक महत्वपूर्ण उपलब्धि थी।
राव कहते हैं, "बाहरी प्रयोगों ने SAWH की वास्तविक दुनिया की चुनौतियों के बारे में मूल्यवान जानकारी प्रदान की, जैसे कि कम तापमान और आर्द्रता का अवशोषण गतिकी पर प्रभाव।" "जब हम CRCF डिज़ाइन को और बेहतर बनाने के लिए काम करेंगे, तो ये सीख महत्वपूर्ण होंगी।"
परीक्षण के दौरान पहचानी गई प्रमुख सीमाओं में से एक जल संघनन प्रक्रिया की दक्षता थी। टीम ने पाया कि निर्जलित जल वाष्प का एक महत्वपूर्ण हिस्सा सफलतापूर्वक संघनित नहीं हुआ, जिससे सिस्टम की समग्र जल उपज कम हो गई। यह समस्या SAWH उपकरणों में एक आम चुनौती है, क्योंकि गैर-संघननीय गैसों (जैसे हवा) की उपस्थिति संघनन प्रक्रिया को बाधित कर सकती है।
इस समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने संघनन दक्षता को बढ़ाने के लिए रणनीतियों की खोज की, जैसे कि बंद लूप वायु परिसंचरण प्रणाली को शामिल करना। अवशोषित वायु धारा को पुनः प्रसारित करके, वे संघनन दर को बढ़ाने और समग्र जल संचयन प्रदर्शन में सुधार करने में सक्षम थे।
इन प्रायोगिक अंतर्दृष्टियों के आधार पर, अनुसंधान दल ने डिज़ाइन स्पेस का पता लगाने और आगे के अनुकूलन के अवसरों की पहचान करने के लिए कम्प्यूटेशनल मॉडलिंग की ओर रुख किया। अपने मान्य सिमुलेशन ढांचे का उपयोग करते हुए, उन्होंने प्रमुख डिज़ाइन चरों - जैसे कि सोरबेंट पंखों की मोटाई और सोखना ट्रंकेशन की सीमा - और सिस्टम के P और Pv मेट्रिक्स के बीच संबंधों को समझने के लिए एक पैरामीट्रिक अध्ययन किया।
इस अनुकूलन अध्ययन के परिणाम प्रभावशाली थे। AHX ज्यामिति और चक्रण पैटर्न को सावधानीपूर्वक ट्यून करके, शोधकर्ता एक CRCF प्रणाली को प्रोजेक्ट करने में सक्षम थे जो MOF के प्रति किलोग्राम 3.19 किलोग्राम की दैनिक जल उत्पादकता और AHX के प्रति घन मीटर 718 किलोग्राम की वॉल्यूमेट्रिक उत्पादकता प्राप्त करने में सक्षम थी। ये आंकड़े बिना प्रशीतन के MOF-आधारित SAWH उपकरणों में वर्तमान अत्याधुनिक तकनीक की तुलना में क्रमशः 1.53 गुना और 2.13 गुना सुधार दर्शाते हैं।
राव बताते हैं, "इस प्रदर्शन को बढ़ाने की कुंजी सोरबेंट सामग्री को तेज़ी से चक्रित करने और प्रति इकाई आयतन में पानी के उत्पादन को अधिकतम करने की हमारी क्षमता में निहित है।" "सीआरसीएफ डिज़ाइन, अपने ईंधन-संचालित विशोषण और कॉम्पैक्ट हीट एक्सचेंजर के साथ, इन महत्वपूर्ण मापदंडों को अनुकूलित करने के लिए लचीलापन प्रदान करता है।"
वैश्विक प्रभाव के लिए विस्तार
यूटा विश्वविद्यालय की टीम द्वारा विकसित CRCF प्रोटोटाइप सिर्फ़ अवधारणा का प्रमाण नहीं है; यह SAWH को वैश्विक जल संकट से निपटने के लिए एक व्यवहार्य समाधान बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। उच्च प्रदर्शन वाली सामग्रियों के साथ अभिनव प्रणाली डिजाइन को जोड़कर, शोधकर्ताओं ने इस तकनीक की अप्रयुक्त क्षमता का प्रदर्शन किया है।
राव कहते हैं, "सीआरसीएफ के दृष्टिकोण के बारे में सबसे रोमांचक बात इसकी मापनीयता और अनुकूलनशीलता है।" "एएचएक्स डिज़ाइन की बिल्डिंग-ब्लॉक प्रकृति का मतलब है कि हम व्यक्तिगत घरों से लेकर बड़ी नगरपालिकाओं तक सभी आकार के समुदायों की पानी की ज़रूरतों को पूरा करने के लिए सिस्टम को आसानी से बढ़ा सकते हैं।"
दरअसल, शोधकर्ता एक ऐसे भविष्य की कल्पना करते हैं, जहां CRCF-आधारित SAWH डिवाइस दुनिया भर में तैनात किए जाएंगे, जो सबसे शुष्क क्षेत्रों में भी मीठे पानी तक विश्वसनीय पहुंच प्रदान करेंगे। सिस्टम को सूर्य और ग्रिड से अलग करके, ये ईंधन-चालित हार्वेस्टर ऑफ-ग्रिड समुदायों और आपदा राहत प्रयासों के लिए एक गेम-चेंजर बन सकते हैं, जहां स्वच्छ पानी तक पहुंच अक्सर एक गंभीर चुनौती होती है।
राव कहते हैं, "आखिरकार, हमारा लक्ष्य SAWH की पूरी क्षमता को अनलॉक करना और इसे उन लोगों के लिए व्यावहारिक वास्तविकता बनाना है, जिन्हें इसकी सबसे ज़्यादा ज़रूरत है।" "CRCF प्रोटोटाइप उस दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है, और हम वायुमंडलीय जल संचयन में जो कुछ भी संभव है, उसकी सीमाओं को आगे बढ़ाने के लिए उत्साहित हैं।"
जैसे-जैसे वैश्विक जल संकट गहराता जा रहा है, CRCF डिवाइस जैसे अभिनव समाधान दुनिया भर के शुष्क क्षेत्रों की प्यास बुझाने में महत्वपूर्ण होंगे। वायुमंडल में जल वाष्प की प्रचुरता का लाभ उठाकर और बीच-बीच में आने वाले ऊर्जा स्रोतों से अलग होकर, ये ईंधन-चालित हार्वेस्टर ताज़े पानी तक विश्वसनीय, विकेन्द्रित पहुँच प्रदान करने का वादा करते हैं - जो अधिक टिकाऊ और न्यायसंगत भविष्य की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है।
संदर्भ
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