कार्बन कैप्चर तकनीक:
ग्लोबल वार्मिंग को सीमित करने के लिए सुपर प्रदूषकों को कम करना

शान डैनियल

ग्लोबल वार्मिंग पृथ्वी पर मनुष्यों के लिए कई गंभीर खतरे पैदा करती है। ग्रह ग्रीनहाउस प्रभाव के कारण गर्म हो रहा है, या पृथ्वी के वायुमंडल में मौजूद गैसें पृथ्वी की सतह से उत्सर्जित दीर्घ-तरंग विकिरण को वायुमंडल में फँसा रही हैं। इस प्रभाव में योगदान देने वाली प्रमुख गैस कार्बन डाइऑक्साइड है, जो ऊर्जा के लिए हाइड्रोकार्बन ईंधन के दहन के दौरान उत्सर्जित होती है। अनियंत्रित उत्सर्जन और वार्मिंग के संभावित नकारात्मक प्रभावों के परिणामस्वरूप चरम मौसम की घटनाएँ, कृषि को नुकसान और ध्रुवीय बर्फ की चोटियों के पिघलने के कारण तटीय क्षेत्रों में बाढ़ आ सकती है। परिणामस्वरूप, वैश्विक ऊर्जा निर्भरता को ऐसे स्रोतों पर स्थानांतरित करना जो जलवायु परिवर्तन के नकारात्मक परिणामों को कम करते हैं, महत्वपूर्ण और समय के प्रति संवेदनशील है। यह जीवाश्म ईंधन और अन्य कार्बन उत्सर्जक पदार्थों पर वैश्विक निर्भरता को कम करके और सौर, पवन, जलविद्युत, ज्वारीय और परमाणु जैसी नवीकरणीय ऊर्जा की ओर स्विच करके प्राप्त किया जा सकता है,

हालाँकि, औद्योगिक क्रांति की शुरुआत के बाद से, CO2 की वायुमंडलीय सांद्रता 280 पीपीएम से बढ़कर 430 पीपीएम हो गई है, जो 1.18 × 10^12 के बराबर है  हमारे वायुमंडल में अतिरिक्त मीट्रिक टन CO2 की मात्रा बढ़ रही है। इस परिवर्तन की भयावहता को देखते हुए, उत्सर्जित कार्बन को वायुमंडल से हटाना और उसे इस तरह संग्रहित करना कि ग्लोबल वार्मिंग पर उसका प्रभाव समाप्त हो जाए, जलवायु वैज्ञानिकों के लिए हाल ही में रुचि का विषय रहा है।

वर्तमान कार्बन पृथक्करण प्रक्रियाओं का कार्य पर्यावरण से वायु लेना और भंडारण के लिए इसे केंद्रित करना है (2)। यह चार प्रतिक्रियाओं की एक श्रृंखला के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है: प्रतिक्रिया 1 में पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड के घोल के माध्यम से हवा को पारित करना शामिल है, जहां CO2 पानी के साथ प्रतिक्रिया करके कार्बोनिक एसिड बन सकता है, जो पोटेशियम कार्बोनेट और पानी उत्पन्न करने के लिए एसिड बेस न्यूट्रलाइजेशन से गुजरता है। प्रतिक्रिया 2 कैल्शियम कार्बोनेट उत्पन्न करने के लिए पोटेशियम कार्बोनेट को कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड के साथ प्रतिक्रिया करके पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड को पुनर्जीवित करता है, जो पानी में अघुलनशील है। प्रतिक्रिया 3 में, ठोस कैल्शियम कार्बोनेट को कैल्शियम ऑक्साइड और कार्बन डाइऑक्साइड उत्पन्न करने के लिए अत्यधिक उच्च तापमान के तहत थर्मल अपघटन के अधीन किया जाता है यद्यपि अभिक्रियाएँ 4, 1 और 2 एक्सर्जोनिक, अनुकूल अभिक्रियाएँ हैं, कैल्शियम कार्बोनेट का ऊष्मीय अपघटन अत्यधिक ऊष्माशोषी है और इसके लिए अत्यधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जिससे औद्योगिक कार्बन पृथक्करण महंगा और सतत् रूप से कठिन हो जाता है (4)। परिवेशी वायु से प्रति मीट्रिक टन CO3 हटाने की लागत $2-$600 के बीच होने का अनुमान है। केवल वर्तमान कार्बन पृथक्करण तकनीकों का उपयोग करते हुए, वायुमंडलीय CO1000 के पूर्व-औद्योगिक स्तर पर लौटने के लिए पर्याप्त CO2 हटाने की लागत $2 ट्रिलियन होगी, जो 708 में अमेरिकी सकल घरेलू उत्पाद का लगभग 25 गुना है (2023)।

यह पद्धति वर्तमान में हमारे वायुमंडल में CO2 के स्तर को सार्थक रूप से प्रभावित करने के लिए एक व्यवहार्य विधि नहीं है। कार्बन पृथक्करण प्रक्रिया की तीसरी प्रतिक्रिया और उत्पादित CO2 के भंडारण/बिक्री, दोनों में नवाचार और सुधार इस प्रक्रिया की समग्र लागत को कम कर सकते हैं, जिससे इसे बड़े पैमाने पर लागू किया जा सकता है और समग्र रूप से बड़ा सकारात्मक प्रभाव पड़ सकता है (4)। मीथेन, एक अति प्रदूषक जो स्वास्थ्य को नुकसान पहुँचाता है और जलवायु परिवर्तन को बढ़ावा देता है, का संग्रहण, अल्पकालिक जलवायु प्रदूषकों को लक्षित करके कार्बन पृथक्करण रणनीतियों का पूरक हो सकता है जो तत्काल स्वास्थ्य और जलवायु लाभ प्रदान करते हैं। हालाँकि, अधिक लागत-कुशल प्रक्रिया बनाने के लिए और अधिक नवाचार और ऊर्जा के अन्य नवीकरणीय रूपों के साथ संयोजन के साथ, कार्बन पृथक्करण जलवायु परिवर्तन के नकारात्मक प्रभावों को कम करने का एक महत्वपूर्ण उपकरण हो सकता है।

पुनर्योजी कृषि (आरए) एक जैविक रूप से संचालित पद्धति है जिसने हाल के वर्षों में बढ़ती मान्यता प्राप्त की है। पुनर्योजी कृषि, मृदा पुनर्स्थापन और दीर्घकालिक पारिस्थितिक संतुलन (5) पर ध्यान केंद्रित करके खेती के लिए एक अधिक एकीकृत और टिकाऊ दृष्टिकोण प्रदान करती है। पारंपरिक कृषि के विपरीत, जो अक्सर रासायनिक उर्वरकों और कीटनाशकों पर अत्यधिक निर्भर करती है, आरए पारंपरिक, प्रकृति-आधारित प्रथाओं (6) पर ज़ोर देती है। मृदा स्वास्थ्य को बेहतर बनाने के लिए पुनर्योजी कृषि मुख्य रूप से जिन पाँच मुख्य सिद्धांतों पर निर्भर करती है, वे हैं: मृदा विक्षोभ को न्यूनतम करना, फसल विविधता को अधिकतम करना, निरंतर मृदा आवरण बनाए रखना, पूरे वर्ष मृदा में जीवित जड़ों को बनाए रखना, और मवेशियों जैसे पशुधन को कृषि प्रणालियों में एकीकृत करना।

टिकाऊ कृषि और वायुमंडलीय कार्बन भंडारण के लिए सबसे प्रभावी तरीकों में से एक होने के बावजूद, कृषि-पद्धति (आरए) को व्यापक रूप से लागू करने में कई बाधाओं का सामना करना पड़ रहा है (7)। यह तरीका समय लेने वाला है और सावधानीपूर्वक, सुसंगत प्रबंधन की मांग करता है। किसानों को अपनी भूमि का प्रभावी ढंग से प्रबंधन करने के लिए नई तकनीकों को अपनाना होगा और मृदा जीव विज्ञान, पौधों की परस्पर क्रियाओं और पारिस्थितिकी तंत्र-आधारित प्रथाओं की गहरी समझ विकसित करनी होगी। इन बदलावों के लिए अक्सर तकनीकी प्रशिक्षण और दीर्घकालिक प्रतिबद्धता दोनों की आवश्यकता होती है, जो सभी कृषक समुदायों के लिए संभव नहीं है।

हालाँकि, अगर आधुनिक तकनीकों—जैसे ड्रोन, सेंसर और कृषि रोबोटिक्स—के निरंतर कार्यान्वयन और एकीकरण द्वारा आरए को समर्थन दिया जाए, तो यह कार्बन भंडारण के लिए सबसे विश्वसनीय दीर्घकालिक रणनीतियों में से एक बनने की क्षमता रखता है (8)। ​​ये तकनीकें भूमि प्रबंधन प्रथाओं की सटीकता और दक्षता में सुधार कर सकती हैं, जिससे मृदा स्वास्थ्य की निगरानी करना, फसल चक्र को अनुकूलित करना और श्रम-गहन कार्यों को कम करना आसान हो जाता है। उदाहरण के लिए, एक अध्ययन में पाया गया है कि कृषि पद्धतियों के माध्यम से मिट्टी में प्रति वर्ष 3.4 गीगाटन तक कार्बन संचय करने की क्षमता होती है (9)। हालाँकि, इस पैमाने पर कार्बन संचयन प्राप्त करने के लिए प्रति वर्ष लगभग 5.72 × 10¹¹ पेड़ लगाने की आवश्यकता होगी।

आरए प्रक्रिया में कई परस्पर जुड़े जैविक और रासायनिक चरण शामिल होते हैं जो मिट्टी में दीर्घकालिक कार्बन भंडारण में योगदान करते हैं। इसकी शुरुआत पेड़ों, फसलों और पौधों की बढ़ती खेती से होती है, जो प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया के माध्यम से वायुमंडलीय कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) को अवशोषित करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। प्रकाश संश्लेषण के दौरान, पौधे CO₂ और जल को ग्लूकोज (C₆H₁₂O₆) और ऑक्सीजन (O₂) में परिवर्तित करते हैं, जिसके बाद निम्नलिखित प्रतिक्रिया होती है: 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂.

उत्पादित ग्लूकोज का उपयोग न केवल पौधों की वृद्धि के लिए किया जाता है, बल्कि जड़ों के माध्यम से मिट्टी में सूक्ष्मजीव समुदायों के पोषण हेतु भी किया जाता है। ये मूल स्राव सूक्ष्मजीवों के श्वसन और राइजोस्फीयर में गतिविधि को उत्तेजित करते हैं, जिससे पोषक चक्रण में वृद्धि होती है। कुछ कार्बनिक कार्बन अंततः ह्यूमिफिकेशन नामक प्रक्रिया के माध्यम से स्थिर हो जाता है, जहाँ सूक्ष्मजीव और पौधों के अवशेष जटिल ह्यूमिक पदार्थों में परिवर्तित हो जाते हैं। ये पदार्थ स्थिर मृदा कार्बनिक पदार्थ बनाते हैं जो दशकों तक मिट्टी में रह सकते हैं, और प्रभावी रूप से भूमि में कार्बन का भंडारण करते हैं।

यद्यपि पुनर्योजी कृषि एक अत्यधिक टिकाऊ दृष्टिकोण है, इस पद्धति के माध्यम से सार्थक प्रगति के लिए मानवजनित कार्बन उत्सर्जन में एक साथ कमी लाना आवश्यक है। एक अध्ययन से पता चलता है कि मानवीय गतिविधियों से उत्सर्जित कार्बन डाइऑक्साइड की वार्षिक मात्रा पुनर्योजी कृषि पद्धतियों (वैश्विक वार्षिक बजट) के माध्यम से संग्रहित की जा सकने वाली मात्रा से अधिक है। उदाहरण के लिए, 2023 में, 36.8 गीगाटन CO2 उत्सर्जित हुई, जबकि पुनर्योजी कृषि पद्धतियों के माध्यम से प्रति वर्ष 3.4 गीगाटन कार्बन संग्रहित किया गया।

कंक्रीट एक सर्वव्यापी निर्माण सामग्री है; यह हमारी सड़कों, फुटपाथों, इमारतों, पुलों और सुरंगों में मौजूद है। वास्तव में, कंक्रीट दुनिया में पानी के बाद दूसरा सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला पदार्थ है, और "निर्माण में अन्य सभी निर्माण सामग्रियों के संयुक्त उपयोग से दोगुना कंक्रीट का उपयोग किया जाता है" (12)। वर्तमान में, दुनिया हर साल 30 अरब टन कंक्रीट का उत्पादन करती है, और कंक्रीट की वैश्विक मांग लगातार बढ़ रही है, खासकर जब वैश्विक दक्षिण के कई देशों में औद्योगीकरण तेज़ हो रहा है (13)। दुर्भाग्य से, कंक्रीट की एक ऊर्जा लागत होती है।

सीमेंट, कंक्रीट का एक प्रमुख घटक, एक प्रक्रिया के माध्यम से बनाया जाता है जिसे के रूप में जाना जाता है पकाना - चूना पत्थर और मिट्टी के मिश्रण को बहुत अधिक तापमान पर गर्म किया जाता है, जिससे रासायनिक प्रतिक्रिया होती है जो कार्बन डाइऑक्साइड (CO) उत्पन्न करती है ₂ ) और चूना (CaO)। फिर चूने को और मिट्टी के साथ मिलाकर फिर से गर्म किया जाता है जिससे सीमेंट बनता है। अंततः, वह सीमेंट पानी के साथ अभिक्रिया करके विभिन्न जलयोजन उत्पाद बनाता है, जो समुच्चयों (मुख्यतः रेत, बजरी और कुचली हुई चट्टान) को कठोर और बाँधकर कंक्रीट बनाते हैं।

हालाँकि, जब सीमेंट और CO को गर्म करने के लिए महत्वपूर्ण ऊर्जा इनपुट की आवश्यकता होती है ₂  कैल्सीनेशन के दौरान एक उपोत्पाद के रूप में निकलने वाले कार्बन डाइऑक्साइड (CO0.85) और कार्बन डाइऑक्साइड (COXNUMX) दोनों को ध्यान में रखा जाए, तो यह स्पष्ट हो जाता है कि कंक्रीट का कार्बन फुटप्रिंट काफी महत्वपूर्ण है। वास्तव में, एक टन सीमेंट XNUMX टन COXNUMX उत्सर्जित करता है। ₂ , और कंक्रीट उद्योग दुनिया के कार्बन उत्सर्जन का 4-8% उत्पन्न करता है (14)। वर्तमान में, कोई भी अन्य निर्माण सामग्री कंक्रीट की बहुमुखी प्रतिभा, कम लागत और उत्पादन में आसानी की बराबरी नहीं कर सकती, लेकिन क्या कंक्रीट के कार्बन फुटप्रिंट को कम करने और साथ ही उद्योग की लागत में भी कटौती करने का कोई तरीका है?

जैसा कि पता चला है, इस तथ्य के बावजूद कि मिश्रण प्रक्रिया के दौरान यह कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जित करता है, कंक्रीट एक निष्क्रिय रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से कार्बन को अवशोषित भी करता है जिसे के रूप में जाना जाता है अपक्षय कार्बोनेशनइस प्रक्रिया के दौरान, कैल्शियम हाइड्रॉक्साइड (Ca(OH) ₂ , जिसे पोर्टलैंडाइट के रूप में भी जाना जाता है), कंक्रीट के भीतर जलयोजन प्रतिक्रियाओं का एक उपोत्पाद, हवा में कार्बन डाइऑक्साइड के साथ प्रतिक्रिया करके कैल्शियम कार्बोनेट (CaCO) बनाता है ₃ , जिसे कैल्साइट भी कहते हैं)। यह कार्बन पृथक्करण का एक रूप है - हवा से कार्बन (CO ₂ ) कंक्रीट की आणविक संरचना के भीतर खनिज रूप में “पृथक” होता है।

हालाँकि, जलवायु परिवर्तन को कम करने और कंक्रीट उद्योग के कार्बन उत्सर्जन को कम करने की एक संभावित रणनीति के रूप में, इस प्रक्रिया के कई नुकसान हैं। पहला यह कि यह बहुत धीमी गति से होता है; एक टन कंक्रीट 0.9 किलोग्राम तक COXNUMX सोख लेता है। ₂  अपक्षय कार्बोनेशन के माध्यम से प्रति वर्ष कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन में वृद्धि होती है, हालाँकि यह मान आर्द्रता और तापमान जैसी पर्यावरणीय परिस्थितियों पर अत्यधिक निर्भर करता है (13)। इसका अर्थ है कि अपक्षय कार्बोनेशन के दौरान होने वाला कार्बन अवशोषण उद्योग द्वारा उत्सर्जित कार्बन की तुलना में बहुत कम है। दूसरा नकारात्मक पहलू यह है कि, COXNUMX के लंबे समय तक संपर्क में रहने पर, कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन में वृद्धि होती है। ₂ कंक्रीट को आपस में बाँधने में मदद करने वाला कार्बन सिलिकेट हाइड्रेट जेल (CSH) विघटित हो जाता है और कंक्रीट का क्षरण शुरू हो जाता है। हालाँकि, हम अपक्षय कार्बोनेशन के दौरान होने वाली बुनियादी रासायनिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग कंक्रीट में कार्बन को अलग करने की एक ऐसी तकनीक तैयार करने के लिए एक खाका तैयार करने के लिए कर सकते हैं जो धीमी और निष्क्रिय के बजाय तेज़ और सक्रिय हो।

जैसा कि पता चला है, उद्योग में वर्तमान में दो विधियाँ। पहली को कहा जाता है खनिज कार्बोनेशन, और यह मूलतः "चट्टान के अपक्षय की तीव्र गति वाली नकल" है (13)। खनिज कार्बोनेशन, बाइंडर यौगिकों को लक्षित करता है; आमतौर पर, सीमेंट को केवल पानी में मिलाकर हाइड्रेशन उत्पाद बनाए जाते हैं जो कंक्रीट के समुच्चयों को आपस में बाँधते हैं। हालाँकि, यदि CO ₂  पानी में घुलकर कार्बोनिक एसिड (H) बनता है ₂ CO ₃ ), अम्ल से निकलने वाले हाइड्रोनियम आयन सीमेंट में सिलिकेट ऑक्साइड को तोड़ देते हैं, जिससे सीमेंट के कैल्शियम और मैग्नीशियम आयन मुक्त होकर स्थिर कार्बोनेट बनाते हैं। एक अध्ययन के अनुसार, व्यावसायिक खनिज कार्बोनेशन प्रति वर्ष 3 गीगाटन तक कार्बन को अलग कर सकता है।

दूसरी विधि कंक्रीट पर ही केंद्रित है। मिश्रण के बाद कंक्रीट को अक्सर सुखाया जाता है ताकि तेज़ जलयोजन अभिक्रियाएँ सुनिश्चित हो सकें, जिसका कंक्रीट के दीर्घकालिक स्थायित्व और मज़बूती पर लाभकारी प्रभाव पड़ता है। भाप वह सामान्य माध्यम है जिसके माध्यम से कंक्रीट को सुखाया जाता है, क्योंकि यह उच्च तापमान और सापेक्ष आर्द्रता (15) को सहन कर सकता है, लेकिन CO ₂  का भी उसी प्रभाव के लिए उपयोग किया जा सकता है। यह प्रक्रिया, जहाँ CO ₂  गैस को प्रारंभिक अवस्था वाले कंक्रीट में इंजेक्ट किया जाता है (अर्थात मिश्रण के कुछ दिन बाद) जिसे कहा जाता है कार्बोनेशन इलाज. खनिज कार्बोनेशन के समान, कार्बोनेशन उपचार में सिलिकेट ऑक्साइड की जल और CO के साथ अभिक्रिया शामिल होती है ₂  CaCO बनाने के लिए ₃ .

बेशक, शुद्ध CO प्राप्त करना ₂  गैस, साथ ही इलाज के लिए आवश्यक बंद प्रतिक्रिया कक्षों को डिजाइन और रखरखाव करना, निर्माता के लिए एक अतिरिक्त लागत का मतलब है। हालांकि, पारंपरिक बाइंडर और समुच्चय सामग्री को पुनर्नवीनीकरण विकल्पों के साथ प्रतिस्थापित करके इन लागतों को कम करना संभव है ताकि उद्योग में "ग्रीन कंक्रीट" के रूप में जाना जाता है। उदाहरण के लिए, पोर्टलैंड सीमेंट, कंक्रीट के सीमेंट घटक के लिए सामान्य विकल्प, आंशिक रूप से या पूरी तरह से फ्लाई ऐश (कोयला उद्योग का उपोत्पाद) या स्टील स्लैग के साथ प्रतिस्थापित किया जा सकता है, क्योंकि दोनों में जलयोजन प्रतिक्रियाओं के लिए आवश्यक ऑक्साइड होते हैं। एक अध्ययन में पाया गया कि पोर्टलैंड सीमेंट को फ्लाई ऐश और चूने के मिश्रण से बदलने से 78% कार्बोनेशन डिग्री वाले कंक्रीट मिश्रण का निर्माण हुआ, जबकि पोर्टलैंड सीमेंट नियंत्रण मिश्रण में 32% कार्बोनेशन डिग्री थी (13)।

इसके अलावा, बजरी और कुचली हुई चट्टानें, जो मोटे समुच्चयों के लिए विशिष्ट विकल्प हैं, को विध्वंस उपोत्पादों (कुचल ईंटें, कंक्रीट, आदि) से प्रतिस्थापित किया जा सकता है। इन समुच्चयों पर खनिज कार्बोनेशन भी किया जा सकता है ताकि उनकी शक्ति और स्थायित्व, साथ ही कार्बन को अलग करने की उनकी क्षमता बढ़े। अंत में, महीन समुच्चयों (आमतौर पर रेत) को बायोचार से प्रतिस्थापित किया जा सकता है, जिसका एक अतिरिक्त लाभ यह है कि यह स्वयं कार्बन पृथक्करण का एक उत्पाद है (बायोचार का निर्माण निम्न-ऑक्सीजन वातावरण में बहुत उच्च तापमान पर कार्बनिक पदार्थों को जलाने से होता है, जिससे स्थिर कार्बन संरचनाओं का निर्माण होता है)। कुछ अध्ययनों में पाया गया है कि बायोचार प्रारंभिक अवस्था में कार्बोनेशन उपचार के दौरान जलयोजन प्रतिक्रियाओं को तेज कर सकता है, जिससे उच्च संपीड़न शक्ति प्राप्त होती है (16)। बायोचार अत्यधिक छिद्रपूर्ण भी होता है, जिसका अर्थ है कि इसमें अधिक स्थान होते हैं जहाँ कार्बोनेशन प्रतिक्रियाएँ हो सकती हैं।

सीसीएस या पुनर्योजी कृषि के विपरीत, हरित कंक्रीट के लिए मौजूदा उद्योग में बड़े पैमाने पर बदलाव या पूरी तरह से एक नए उद्योग के निर्माण की आवश्यकता नहीं होती है; इसके लिए बस कंक्रीट मिश्रण में पुनर्चक्रित उप-उत्पादों को शामिल करना और भाप के बजाय कार्बोनेशन क्योरिंग तकनीकों का उपयोग करना होता है। सीमेंट निर्माताओं के पास वर्तमान में एक अधिक जलवायु-अनुकूल भविष्य में निवेश करने के साधन हैं - एक ऐसा भविष्य जहाँ हम अपने शहरों का निर्माण पृथक कार्बन डाइऑक्साइड से करेंगे। ₂ .