वैश्विक विमानन उद्योग अपने पर्यावरणीय प्रभाव को कम करने का प्रयास कर रहा है, इसलिए टिकाऊ विमानन ईंधन (एसएएफ) विकसित करने की होड़ जारी है जो पारंपरिक पेट्रोलियम-आधारित जेट ईंधन की जगह ले सकता है। एक आशाजनक समाधान एक अप्रत्याशित स्रोत में निहित है - प्रचुर मात्रा में बायोपॉलिमर लिग्निन। शोधकर्ताओं ने अब लिग्निन को सीधे उच्च गुणवत्ता वाले जेट ईंधन हाइड्रोकार्बन में बदलने की एक नई प्रक्रिया का प्रदर्शन किया है, जिससे हवाई यात्रा में अधिक टिकाऊ भविष्य का मार्ग प्रशस्त हुआ है।

टिकाऊ विमानन ईंधन की चुनौती

विमानन क्षेत्र वैश्विक ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन में एक प्रमुख योगदानकर्ता है, जो दुनिया भर में कुल उत्सर्जन का लगभग 2-3% है। आने वाले दशकों में हवाई यात्रा में जोरदार उछाल आने की उम्मीद है, इसलिए उद्योग को कार्बन मुक्त करने के तरीके खोजने का दबाव है। SAF समाधान के एक महत्वपूर्ण हिस्से के रूप में उभरे हैं, जो पारंपरिक जेट ईंधन की तुलना में उत्सर्जन में कटौती करने की क्षमता प्रदान करते हैं।

अधिकांश वर्तमान एसएएफ वनस्पति तेलों और पशु वसा जैसे पौधों और पशु लिपिड से उत्पादित होते हैं। हालांकि, इन फीडस्टॉक्स की सीमित उपलब्धता का मतलब है कि भविष्य में जेट ईंधन की मांग में अनुमानित उछाल को पूरा करने के लिए उन्हें बढ़ाया नहीं जा सकता है। वाशिंगटन स्टेट यूनिवर्सिटी के प्रोफेसर और नए अध्ययन के प्रमुख लेखक बिन यांग कहते हैं, "यह आम तौर पर सहमति है कि शुद्ध-शून्य विमानन उत्सर्जन के 2050 के लक्ष्य को पूरा करने के लिए कई नए रास्ते आवश्यक होंगे।"

एक और चुनौती यह है कि कई एसएएफ में पारंपरिक जेट ईंधन के वांछित गुणों की कमी है। यांग बताते हैं, "कई एयरलाइंस इन एसएएफ के सीधे उपयोग को सीमित करती हैं और घनत्व, सील सूजन और अन्य घटकों के बारे में चिंताओं को दूर करने के लिए अपने ईंधन को पारंपरिक जेट ईंधन के साथ संतुलित करती हैं।" यह काफी हद तक एरोमैटिक्स और साइक्लोएल्केन जैसे कुछ हाइड्रोकार्बन वर्गों की कमी के कारण है, जो ईंधन की अनुकूलता और प्रदर्शन के लिए महत्वपूर्ण हैं।

लिग्निन की क्षमता का दोहन

लिग्निन एक जटिल सुगंधित बहुलक है जो सेल्यूलोज के बाद पृथ्वी पर दूसरा सबसे प्रचुर मात्रा में पाया जाने वाला प्राकृतिक बहुलक है। लिग्निन विभिन्न जैव शोधन प्रक्रियाओं का एक उपोत्पाद है, जिसका उत्पादन हर साल दुनिया भर में लगभग 300 मिलियन टन होता है। यांग कहते हैं, "लिग्निन में सुगंधित संरचना-आधारित बहुलक बनाने की क्षमता है जो ईंधन, रसायन और सामग्री के उत्पादन के लिए आधार के रूप में कार्य कर सकता है।"

यांग के समूह और अन्य लोगों के पिछले शोध ने लिग्निन को जेट ईंधन-श्रेणी के हाइड्रोकार्बन में बदलने के लिए उत्प्रेरक डीपोलीमराइजेशन और हाइड्रोडीऑक्सीजनेशन (एचडीओ) का उपयोग करने की क्षमता को दिखाया है। ये प्रक्रियाएँ चुनिंदा रूप से साइक्लोएल्केन का मिश्रण बना सकती हैं - एक हाइड्रोकार्बन वर्ग जो जेट ईंधन में एरोमेटिक्स की जगह ले सकता है, जो तुलनीय घनत्व और सील स्वेल गुण प्रदान करता है।

हालांकि, चुनौती एक सतत प्रवाह प्रक्रिया विकसित करने की रही है जो तकनीकी लिग्निन फीडस्टॉक्स की जटिलता को संभाल सके। यांग कहते हैं, "लिग्निन की विषम प्रकृति द्वारा उत्पन्न चुनौतियों का समाधान करना सतत प्रवाह रिएक्टरों में सफल तकनीकी लिग्निन प्रसंस्करण के लिए महत्वपूर्ण है।"

निरंतर लिग्निन रूपांतरण में एक सफलता

फ्यूल प्रोसेसिंग टेक्नोलॉजी में प्रकाशित अपने नवीनतम कार्य में, शोधकर्ताओं ने एक नवीन "समकालिक डीपोलीमराइजेशन और हाइड्रोडीऑक्सीजनेशन" (एसडीएचडीओ) प्रक्रिया का प्रदर्शन किया है जो लिग्निन को लगातार उच्च गुणवत्ता वाले जेट ईंधन हाइड्रोकार्बन में परिवर्तित कर सकती है।

उनके दृष्टिकोण की कुंजी एक इंजीनियर द्विकार्यात्मक उत्प्रेरक है, जिसे Ru-HY-60-MI कहा जाता है, जो अत्यधिक फैले हुए रूथेनियम नैनोकणों के साथ अम्लीय जिओलाइट समर्थन को जोड़ता है। पेपर के पहले लेखक और नेशनल रिन्यूएबल एनर्जी लेबोरेटरी के शोधकर्ता आदर्श कुमार बताते हैं, "प्रत्यक्ष लिग्निन HDO के लिए कुशल और इंजीनियर द्विकार्यात्मक उत्प्रेरक का डिज़ाइन और संश्लेषण चुनौतीपूर्ण है।"

"डिपोलीमराइजेशन, रिंग सैचुरेशन और CO हाइड्रोजेनोलिसिस के बीच प्रतिस्पर्धा रिंग सैचुरेटेड हाइड्रोकार्बन की उत्पत्ति में कठिनाई पैदा करती है। इन गुणों का एक उत्कृष्ट संयोजन संतृप्त हाइड्रोकार्बन उत्पादन के लिए एक प्रभावी उत्प्रेरक हो सकता है।"

शोधकर्ताओं ने Ru-HY-60-MI उत्प्रेरक को निरंतर प्रवाह रिएक्टर में पैक किया और क्षार-उपचारित कॉर्न स्टोवर लिग्निन के घोल में डाला। 250 डिग्री सेल्सियस और 1,150 psi हाइड्रोजन दबाव की अनुकूलित प्रतिक्रिया स्थितियों पर, वे लिग्निन-आधारित जेट ईंधन (LJF) उत्पाद के लिए 17.9% की अधिकतम कार्बन उपज प्राप्त करने में सक्षम थे।

विस्तृत विश्लेषण से पता चला कि एलजेएफ में 60.2% मोनोसाइक्लोएल्केन और 21.6% पॉलीसाइक्लोएल्केन शामिल थे - हाइड्रोकार्बन वर्ग जो ईंधन संगतता और प्रदर्शन के लिए महत्वपूर्ण हैं। यांग कहते हैं, "टियर α ईंधन गुण परीक्षण से पता चलता है कि एसडीएचडीओ रसायन विज्ञान का उपयोग करके एलजेएफ उत्पादन उच्च संगतता, अच्छे सीलिंग गुणों, कम उत्सर्जन और विमान के लिए उच्च ऊर्जा घनत्व के साथ एसएएफ का उत्पादन कर सकता है।"

शोध का एक मुख्य पहलू उपयोग से पहले और बाद में Ru-HY-60-MI उत्प्रेरक का विस्तृत लक्षण वर्णन था। इससे SDHDO प्रक्रिया के दौरान उत्प्रेरक की संरचना और व्यवहार के बारे में बहुमूल्य जानकारी मिली।

टीम ने पाया कि उत्प्रेरक इंजीनियरिंग चरणों के बाद HY जिओलाइट संरचना और क्रिस्टलीयता काफी हद तक संरक्षित थी, जिसमें छोटे रूथेनियम नैनोकण (औसत आकार 2.9 एनएम) पूरे समर्थन में फैले हुए थे। तापमान-क्रमबद्ध कमी विश्लेषण ने दो अलग-अलग प्रकार के रूथेनियम ऑक्साइड प्रजातियों की उपस्थिति का खुलासा किया, जो अच्छे धातु-समर्थन इंटरैक्शन का सुझाव देते हैं।

हालांकि, खर्च किए गए उत्प्रेरक में कुछ महत्वपूर्ण परिवर्तन दिखाई दिए। प्रेरणिक रूप से युग्मित प्लाज्मा विश्लेषण ने पोटेशियम सामग्री में पर्याप्त वृद्धि का पता लगाया, जो संभवतः लिग्निन समाधान और HY जिओलाइट के बीच आयन विनिमय के कारण था। उत्प्रेरक सतह पर कार्बन जमाव के सबूत भी थे, जिसने समय के साथ इसके निष्क्रिय होने में योगदान दिया।

कुमार कहते हैं, "प्रदूषकों और कोक निर्माण के कारण उत्प्रेरक निष्क्रियता मुख्य चुनौतियों में से एक है, जिसे हमें इस दृष्टिकोण को व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य बनाने के लिए दूर करना होगा।" "अधिक मजबूत उत्प्रेरक और रिएक्टर डिज़ाइन विकसित करने के लिए आगे काम करने की आवश्यकता है जो लिग्निन रूपांतरण की कठोर परिस्थितियों का सामना कर सकें।"

शोधकर्ताओं का मानना है कि उत्प्रेरक संरचना-गतिविधि संबंधों में उनकी अंतर्दृष्टि निरंतर लिग्निन उन्नयन के लिए अगली पीढ़ी के उत्प्रेरकों के विकास को निर्देशित करने में मदद करेगी। "उत्प्रेरक लक्षण वर्णन पद्धतियों ने सुझाव दिया कि Ru-HY-60-MI में HY-60 समर्थन पर अच्छा फैलाव के साथ छोटा Ru आकार है," कुमार ने नोट किया। "हालांकि, प्रयोग के दौरान लिग्निन समाधान से K+ आयन के HY-60 में विनिमय और Ru-HY-60-MI सतह पर कार्बन जमाव के कारण उत्प्रेरक निष्क्रियता देखी गई।"

सतत प्रवाह में एसडीएचडीओ प्रक्रिया का सफल प्रदर्शन लिग्निन-आधारित जेट ईंधन के व्यावसायीकरण के लिए एक महत्वपूर्ण कदम है। एलजेएफ पर पिछले अध्ययनों में बैच रिएक्टरों पर भरोसा किया गया था, जो बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए कम स्केलेबल और आर्थिक रूप से व्यवहार्य हैं।

यांग कहते हैं, "व्यावसायिक पैमाने पर उत्पादन से टिकाऊ विमानन ईंधन के पर्यावरणीय लाभों को महसूस करने में मदद मिलेगी।" "एलजेएफ के वाणिज्यिक उत्पादन लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए, एक सतत प्रक्रिया की आवश्यकता है।"

शोधकर्ताओं ने बताया कि उनका तरीका निरंतर लिग्निन रूपांतरण से जुड़ी कई प्रमुख चुनौतियों का समाधान करता है। यांग बताते हैं, "हमने अभिनव प्रतिक्रिया इंजीनियरिंग तकनीकों का उपयोग करके प्रत्यक्ष लिग्निन रूपांतरण और उत्पाद में चक्रीय संरचनाओं के संरक्षण की जटिलताओं पर काबू पा लिया है।"

आगे देखते हुए, टीम इस प्रक्रिया को और बेहतर बनाने और बाकी बाधाओं को दूर करने के लिए काम कर रही है। यांग कहते हैं, "हम तीन मुख्य चुनौतियों पर काबू पाकर तैनाती की दिशा में प्रक्रिया को आगे बढ़ाना जारी रखेंगे: हाइड्रोट्रीटिंग उत्प्रेरक की लागत को कम करना, लिग्निन की बहुलक संरचना के कारण ठोस उत्प्रेरक की दक्षता में सुधार करना, और संदूषकों और कोक निर्माण के कारण उत्प्रेरक निष्क्रियता को रोकना।"

यदि सफल रहा, तो लिग्निन-आधारित जेट ईंधन स्थायी विमानन के लिए नई संभावनाओं को खोल सकता है। यांग बताते हैं, "एलजेएफ मौजूदा एसएएफ मार्गों के लिए पूरक गुण प्रदान कर सकता है, आवश्यक घनत्व और सील स्वेल प्रदान कर सकता है जिसे एन- और आइसोएल्केन प्राप्त नहीं कर सकते हैं, जबकि मिश्रित ईंधन की व्युत्पन्न सीटेन संख्या को बढ़ावा देता है।"

संभावित पर्यावरणीय लाभ भी महत्वपूर्ण हैं। यांग कहते हैं, "लिग्निन-आधारित जेट ईंधन का किफायती उत्पादन टिकाऊ विमानन ईंधन की स्थिरता में सुधार कर सकता है और साथ ही समग्र ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन को कम कर सकता है।"

विमानन में हरित भविष्य के लिए एक आशाजनक मार्ग?

लिग्निन-आधारित जेट ईंधन का विकास अधिक टिकाऊ हवाई यात्रा की खोज में एक रोमांचक सफलता का प्रतिनिधित्व करता है। तकनीकी लिग्निन के प्रचुर और कम उपयोग किए जाने वाले संसाधन का लाभ उठाकर, शोधकर्ताओं ने उच्च गुणवत्ता वाले जेट ईंधन हाइड्रोकार्बन का उत्पादन करने के लिए एक व्यवहार्य मार्ग का प्रदर्शन किया है जो मौजूदा SAF विकल्पों का पूरक हो सकता है।

एक अभिनव द्वि-कार्यात्मक उत्प्रेरक द्वारा सक्षम सतत SDHDO प्रक्रिया, लिग्निन रूपांतरण से जुड़ी कई प्रमुख चुनौतियों पर काबू पाती है और संभावित वाणिज्यिक पैमाने पर उत्पादन के लिए मंच तैयार करती है। जबकि चुनौतियाँ बनी हुई हैं, लिग्निन-व्युत्पन्न जेट ईंधन का वादा स्पष्ट है - एक ऐसा भविष्य जहाँ हवाई यात्रा को पौधों के कचरे से प्राप्त नवीकरणीय, कम उत्सर्जन वाले ईंधन द्वारा संचालित किया जा सकता है।

चूंकि वैश्विक विमानन उद्योग अपने पर्यावरणीय प्रभाव से जूझ रहा है, लिग्निन-आधारित जेट ईंधन जैसे समाधान एक अधिक टिकाऊ मार्ग की झलक पेश करते हैं। आगे के शोध और अनुकूलन के साथ, यह तकनीक इस क्षेत्र को अपने महत्वाकांक्षी डीकार्बोनाइजेशन लक्ष्यों को प्राप्त करने में मदद करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकती है।

संदर्भ

1. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2024.108129

संबंधित लेख देखने के लिए टैग पर क्लिक करें:

विमानन | जलवायु परिवर्तन | पर्यावरण | समाज