वायुमंडलीय जल संग्रहण – गुरुत्वाकर्षण का उपयोग करके इस प्रौद्योगिकी को कैसे आगे बढ़ाया जा सकता है

जल शायद हमारे ग्रह की सबसे मूल्यवान संसाधन है जिसका हमें सामना करना पड़ता है। हमारे ग्रह के 70% हिस्से को कवर करने के बावजूद, मीठा जल, वह पानी जिसे हम पीने, स्नान करने या अपनी कृषि भूमि को सिंचाई करने के लिए उपयोग करते हैं, दुर्लभ है। विश्व के जल का केवल 3% मीठा जल है। इसके अलावा, उस 3% में से दो‑तिहाई भाग जमे हुए हिमनदों में रहता है या उपयोग के लिए उपलब्ध नहीं है।

जल की कमी का परिणाम विश्व स्तर पर यह प्रतिबिंबित होता है। वैश्विक स्तर पर, लगभग 1.1 बिलियन लोग पानी तक पहुंच से वंचित हैं। कुल मिलाकर 2.7 बिलियन लोग कम से कम एक महीने के लिए जल की कमी से पीड़ित हैं।

जल की कमी कई अन्य समस्याओं को भी जन्म देती है, जैसे अपर्याप्त स्वच्छता, जो 2.4 बिलियन लोगों को प्रभावित करती है और उन्हें कॉलरा और टाइफ़ॉइड जैसी बीमारियों के प्रति संवेदनशील बनाती है, तथा कई अन्य घातक दस्त संबंधी रोगों का कारण बनती है।

बढ़ती जनसंख्या और जल की लगातार बढ़ती मांग हमेशा टकराव में रही है। जितना अधिक हमारा ग्रह आबादी वाला बनता गया, उसकी जल प्रणालियाँ उतनी ही अधिक तनावग्रस्त होती गईं।

बढ़ते प्रदूषण स्तर ने ग्रह की नदियों, झीलों और जलभरणों पर असर डाला है। जो और अधिक चिंताजनक दिखता है वह यह है कि विश्व के आधे से अधिक दलदल गायब हो चुके हैं।

यदि वैज्ञानिक समुदाय समय के साथ विकसित नहीं होता और जल के गायब होने की समस्या से लड़ने के लिए समाधान नहीं देता, तो हमारी कृषि प्रणालियों के पास जल्द ही पर्याप्त पानी नहीं रहेगा, जिससे खाद्य असुरक्षा और कई अन्य समस्याएँ उत्पन्न होंगी।

हालाँकि, सौभाग्य से, वैज्ञानिक समुदाय विश्व स्तर पर इस चुनौती को स्वीकार कर रहा है। आज, हम आगामी भाग में ऐसी ही एक क्रांतिकारी समाधान पर चर्चा करेंगे और फिर गहराई से विश्लेषण करेंगे।

डिवाइस केवल गुरुत्वाकर्षण का उपयोग करके हवा से पानी निकालता है

एक अंतरराष्ट्रीय शोधकर्ताओं की टीम, जिसका नेतृत्व KAUST के प्रोफेसर कियाओकियांग गैन कर रहे हैं, ने एक ऐसा डिवाइस डिजाइन किया है जो संभावित रूप से बिना बिजली के चल सकता है और केवल गुरुत्वाकर्षण की मदद से हवा से पानी निकाल सकता है। यह डिवाइस, जो पहले से ही महंगी ऊर्जा आपूर्ति की आवश्यकता से मुक्त है, सस्ते और आसानी से उपलब्ध सामग्री से बनाया जा सकता है।

प्रयोग पत्र, जिसका शीर्षक ‘रैडियेटिव कूलिंग और वायुमंडलीय जल संग्रहण के लिए वर्टिकल डबल‑साइडेड आर्किटेक्चर में लुब्रिकेटेड सतह’ है, वायुमंडलीय जल संग्रहण को अधिक कुशल बनाने का लक्ष्य रखता है।

जल संग्रहण प्रक्रिया रैडियेटिव कूलिंग में उल्लेखनीय रूप से सुधार करती है। रैडियेटिव कूलिंग कंडेंसर के तापमान को पर्यावरणीय स्तर से काफी नीचे लाकर काम करती है और अतिरिक्त ऊर्जा के बिना वायुमंडलीय जल संग्रहण को संभव बनाती है।

रैडियेटिव कूलिंग प्रणालियों को एक समस्या का सामना करना पड़ता है, वह है पारंपरिक आकाश‑सम्पर्क कंडेंसरों की कम कूलिंग पावर डेंसिटी, और पानी की बूंदों का सतह पर चिपकना, जिससे सक्रिय कंडेनसेट संग्रहण आवश्यक हो जाता है।

शोध ने इस समस्या के लिए एक समाधान प्रस्तावित किया है: एक लुब्रिकेटेड सतह (LS) कोटिंग—जो अत्यधिक स्केलेबल पॉलीडिमिथाइलसिलोक्सेन इलास्टोमर को सिलिकॉन तेल से लुब्रिकेट करके वर्टिकल डबल‑साइडेड आर्किटेक्चर में कंडेंसर पक्ष पर लागू करती है।

डिज़ाइन के कई लाभ हैं। सबसे पहले, यह स्थानीय कूलिंग पावर को प्रभावी रूप से दोगुना कर देता है।

दूसरा, यह संपर्क‑रेखा पिनिंग को समाप्त करता है, जिससे निष्क्रिय, गुरुत्वाकर्षण‑चालित जल संग्रहण संभव होता है। परिणामस्वरूप, बाहरी वातावरण में 0 × 30 cm² नमूने से AWH क्षमता बढ़ी, जिसमें कोई कृत्रिम नमीयुक्त हवा का प्रवाह नहीं था।

लुब्रिकेटेड सतह (LS) कोटिंग की निष्क्रिय जल संग्रहण दर 21 g m⁻² h⁻¹ तक पहुँची, जो सुपरहाइड्रोफोबिक सतह की 10 g m⁻² h⁻¹ से दोगुनी है। इनडोर सेटिंग में प्रदर्शन और भी बेहतर था, जहाँ प्रणाली सैद्धांतिक सीमा के 87% तक की संघनन दर हासिल कर सकी और कुल कंडेनसेट का 90% तक निष्क्रिय रूप से एकत्र किया।

वायुमंडलीय जल संग्रहण के सही तरीके से किए जाने के लाभ

वायुमंडल में सभी पृथ्वी की नदियों के मीठे जल की कुल मात्रा से छह गुना अधिक पानी होता है। प्रोफेसर गैन के अनुसार:

“यह पानी वायुमंडलीय जल संग्रहण तकनीकों द्वारा एकत्र किया जा सकता है।”

सिस्टम के लाभों पर विस्तार करते हुए, प्रोफेसर डैन डैनियल, जो प्रोफेसर गैन के शोध समूह में पोस्ट‑डॉक्टरेट हैं, ने कहा, 

“सिस्टम कोई बिजली नहीं खपत करता, जिससे ऊर्जा की बचत होती है। इसके अलावा, यह किसी भी यांत्रिक भाग जैसे कंप्रेसर या पंखे पर निर्भर नहीं करता, जिससे पारंपरिक प्रणालियों की तुलना में रखरखाव कम होता है और अतिरिक्त बचत होती है।”

डैन डैनियल के अवलोकनों पर, टीम के एक अन्य पोस्ट‑डॉक्टरेट शकील अहमद ने जोड़ा:

“हमारी कोटिंग ने प्रभावी रूप से पिनिंग को समाप्त कर दिया, जिससे जल द्वारा संचालित वास्तविक निष्क्रिय जल संग्रहण संभव हुआ।”

समग्र रूप से, सिस्टम वायुमंडलीय जल संग्रहण की गुणवत्ता को उल्लेखनीय रूप से बढ़ाता है, जिससे AWH इस बढ़ती जल कमी की दुनिया में एक सच्चा समाधान बन जाता है।

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वायुमंडलीय जल संग्रहण प्रणालियों में प्रगति

अक्टूबर 2023 में, वैज्ञानिक जर्नल ‘Energy’एक व्यापक समीक्षा की तकनीकों, प्रदर्शन, नवीकरणीय ऊर्जा समाधान और AWH विधि से संबंधित व्यवहार्यता की। इस समीक्षा ने वायुमंडलीय जल संग्रहण को 12,900 km³ पर एक विशाल मीठे जल स्रोत के रूप में दर्शाया।

यह कहा गया:

“वायुमंडलीय जल संग्रहण प्रणालियों ने हाल के वर्षों में लोकप्रियता हासिल की है क्योंकि वे शुष्क क्षेत्रों में एक सतत जल स्रोत प्रदान करती हैं।”

आगामी भागों में, हम इन प्रगतियों में से कुछ पर नजर डालेंगे, जिसमें डीह्यूमिडिफाइंग, कंडेंसिंग, वेपर कॉम्प्रेशन रेफ्रिजरेशन साइकिल (VCRCs), थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर (TECs), एयर कंडीशनिंग यूनिट, फ्यूल सेल और एकीकृत प्रणालियाँ शामिल हैं।

डीह्यूमिडिफाइंग कंडेंसिंग

डीह्यूमिडिफिकेशन जल संग्रहण तकनीकें सौर, पवन या विद्युत स्रोतों से शक्ति लेती हैं। ये तकनीकें कंप्रेसर/रिफ्रिजरेंट‑आधारित या डेसिकेंट‑आधारित हो सकती हैं।

पहले प्रकार डीव पॉइंट कंडेंसशन के माध्यम से कार्य करते हैं और एक ठंडी सतह प्रदान करते हैं जिस पर जल वाष्प संघनित हो सकता है, जबकि दूसरे प्रकार जल वाष्प को एक सोर्बेंट द्वारा संतृप्त करते हैं जिसे फिर गरम किया जाता है, और अतिसंतृप्त जल वाष्प ठंडी पर्यावरणीय प्रक्रिया हवा के साथ संपर्क में आने पर सतह पर संघनित हो जाता है।

वापर कॉम्प्रेशन रेफ्रिजरेशन साइकिल (VCRCs)

यह प्रक्रिया एक ऐसी तंत्र को दर्शाती है जहाँ वाष्प को संपीड़ित किया जाता है, फिर जल या हवा के साथ संघनित किया जाता है, और एक वाल्व या पावर टेकेऑफ़ वाले इंजन के माध्यम से कम दबाव और तदनुसार कम तापमान पर विस्तारित किया जाता है।

थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर

2023 में, अंतर्राष्ट्रीय सूचना एवं इंजीनियरिंग प्रौद्योगिकी संघ (IIETA) ने थर्मोइलेक्ट्रिक कूलिंग प्रौद्योगिकी का उपयोग करके वायुमंडलीय जल संग्रहण पर एक अध्ययन प्रकाशित किया।

इस अध्ययन का उद्देश्य इंडोनेशिया में जल की कमी को कम करने के लिए वैकल्पिक स्वच्छ जल स्रोत के रूप में वायुमंडलीय हवा की संभावनाओं का अन्वेषण करना था, जहाँ औसत वायुमंडलीय आर्द्रता 75% से 85% के बीच रहती है।

शोधकर्ताओं ने एक थर्मोइलेक्ट्रिक कूलर (TEC 1-12706) स्थापित किया, जिसमें उसके गर्म पक्ष पर हीटसिंक और पंखा जोड़ा गया ताकि गर्मी का विसर्जन बढ़े। कॉपर से बना कूलिंग कॉइल दोनों हीट एब्जॉर्बर और वायुमंडलीय हवा के लिए कंडेंसर के रूप में कार्य करता है।

कॉइल (व्यास=7.9 mm; लंबाई=1000 mm) के लिए ठंडा स्रोत कूलर के ठंडे पक्ष से जुड़े जल ब्लॉक से प्राप्त किया गया। प्रयोग की सेटिंग्स में सभी संभावित पर्यावरणीय स्थितियों को शामिल किया गया, जिसमें प्रयोगशाला, आवासीय क्षेत्र और तटीय क्षेत्र शामिल थे, तथा हीटसिंक कूलिंग फैन की वायु प्रवाह दर को बदलते रहे।

डेटा 72.27%‑83.01% की आर्द्रता सीमा में एकत्र किया गया और परिणामों ने हीटसिंक कूलिंग फैन के वायु द्रव्यमान प्रवाह दर और हवा से निकाले जा सकने वाले जल की मात्रा के बीच प्रत्यक्ष संबंध दिखाया।

प्रयोग ने यह भी रोचक अंतर्दृष्टि प्रदान की कि पर्यावरण के प्रकार का निकाले गए जल की मात्रा पर क्या प्रभाव पड़ता है, क्योंकि तटवर्ती क्षेत्रों में प्रयोगशालाओं और आवासीय क्षेत्रों की तुलना में अधिक जल निकाला जा सकता था।

विशेष रूप से, तटीय क्षेत्रों में वायु द्रव्यमान प्रवाह दर 0.092 kg/s थी, और निकाला जा सकने वाला जल 7.75 ml/घंटा था। प्रयोगशाला सेटिंग में प्रदर्शन 5.5 ml/घंटा तक गिर गया, और आवासीय क्षेत्रों में यह 4.75 ml/घंटा था। शोधकर्ताओं ने समझा कि वायु कूलर और कॉइल सतह के बीच संपर्क सतह को अधिकतम करके जल निष्कर्षण को बढ़ाया जा सकता है।

एयर कंडीशनिंग यूनिट्स 

जून 2024 में, जर्नल ‘Case Studies in Chemical and Environmental Engineering’ में प्रकाशित एक शोध पत्र ने एयर कंडीशनिंग प्रणालियों से जल उत्पादन की संभावना को एक असामान्य आपूर्ति स्रोत के रूप में मूल्यांकित किया।

विशेष रूप से, अध्ययन ने संघनित जल की भौतिक और रासायनिक गुणों की जांच की और एयर कंडीशनिंग प्रणालियों द्वारा उत्पन्न एकत्रित कंडेनसेट जल नमूनों में भारी धातुओं की उपस्थिति का अध्ययन किया।

मूल्यांकन का उद्देश्य यह सुनिश्चित करना था कि जल गुणवत्ता जॉर्डन के पेयजल मानकों और सिंचाई के लिए FAO दिशानिर्देशों द्वारा निर्धारित मानदंडों को पूरा करती हो।

यह अध्ययन जॉर्डन में किया गया, जो नवीकरणीय मीठे जल संसाधनों के संदर्भ में विश्व के सबसे आर्थिक रूप से वंचित देशों में से एक है, जहाँ प्रति व्यक्ति उपलब्धता लगभग 61 घन मीटर थी (2021)।

परीक्षण परिणामों से पता चला कि नमूने मुख्यतः दोनों पेयजल दिशानिर्देशों (20 °C से नीचे) और सिंचाई के लिए उपयोग किए जाने वाले उपचारित जल मानदंडों (25 °C से नीचे) द्वारा निर्धारित अनुमत सीमाओं का पालन करते थे। नमूनों का तापमान 16 °C से 20 °C के बीच था, औसत 18 °C, जबकि कंडेनसेट जल के pH मान 7.16 से 7.25 के बीच थे, औसत 7.20।

फ्यूल सेल्स

एक अन्य शोध, जो दिसंबर 2020 के ‘Applied Energy’ अंक में प्रकाशित हुआ, ने फ्यूल सेल के इलेक्ट्रोकेमिकल जल को वेपर कॉम्प्रेशन साइकिल‑आधारित वायुमंडलीय जल जनरेटर (VCC‑AWG) के लिए पुन: उपयोग करने का प्रस्ताव रखा।

समाधान तंत्र ने फ्यूल सेल के फ्ल्यू गैस का उपयोग किया, जो VCC‑AWG में प्राकृतिक वायुमंडलीय हवा की तुलना में अधिक सापेक्षिक आर्द्रता के साथ प्रवेश करता है, क्योंकि यह एक एंबियंट हीट एक्सचेंजर से होकर गुजरता है जो इलेक्ट्रोकेमिकल अपशिष्ट गर्मी को हटाता है।

वैज्ञानिकों ने प्रस्ताव रखा कि उच्च सापेक्षिक आर्द्रता ऊर्जा इनपुट प्रति मीठे जल की उपज को बढ़ा सकती है। परिणामों से पता चला कि 0.75 की सापेक्षिक आर्द्रता पर, 2 किलोवाट फ्यूल सेल जोड़ने से 3 kg/घंटा तक ताजा जल उत्पन्न हुआ, जो फ्यूल सेल को बाहर रखने की तुलना में 50 % अधिक था।

विशिष्ट ऊर्जा खपत 200 Wh/kg होने पर, VCC‑AWG को फ्यूल सेल की शक्ति आउटपुट में छोटे समझौते के साथ एकीकृत किया जा सकता है।

एकीकृत प्रणालियाँ

अंत में, कई शोधकर्ताओं ने नवाचारी एकीकृत प्रणालियों का प्रस्ताव भी किया है जो डेसिकेंट व्हील और इवैपोरेटर कूलर को संयोजित करके ठंडी हवा और संघनित जल दोनों प्रदान करती हैं।

विशेष रूप से, इन एकीकृत प्रणालियों ने शुष्क परिस्थितियों में असाधारण जल संग्रहण क्षमताएँ प्रदर्शित की हैं। उदाहरण के लिए, एक प्रयोग से प्राप्त डेटा के अनुसार, एक एक‑क्यूबिक मीटर डीह्यूमिडिफायर सिस्टम 50‑70 % सापेक्षिक आर्द्रता स्तरों पर क़तर के एक परिवार को प्रतिदिन 15 लीटर से अधिक मीठा जल प्रदान कर सकता है।

जबकि विश्व भर की वैज्ञानिक समुदायें लगातार वायुमंडलीय जल संग्रहण की संभावनाओं का अन्वेषण करती रही हैं और इसकी सीमाओं को आगे बढ़ाया है, कंपनियों ने ऐसी समाधान विकसित किए हैं जो बड़े पैमाने पर अपनाने के योग्य हैं। आगामी भागों में, हम संक्षेप में ऐसी कुछ कंपनियों पर नजर डालेंगे।

#1. Atoco

स्रोत: Atoco

Atoco की जल संग्रहण प्रौद्योगिकी वायुमंडल से शुद्ध जल को पकड़ने और उत्पन्न करने में सक्षम है, यहाँ तक कि 20% से कम सापेक्षिक आर्द्रता वाले शुष्क परिस्थितियों में भी।

जैसा कि हमने अपनी चर्चा की शुरुआत में उल्लेखित शोध में देखा, Atoco समाधान बिना बिजली के निष्क्रिय मोड में कार्य कर सकता है, जिससे ऑफ‑ग्रिड संचालन शून्य कार्बन फुटप्रिंट के साथ संभव होता है।

Atoco द्वारा उपयोग किए गए नवीन रेटिक्युलर सामग्री के परिणामस्वरूप निकले जल की गुणवत्ता अत्यंत शुद्ध होती है, जिसके लिए अतिरिक्त फ़िल्ट्रेशन की आवश्यकता नहीं होती। यह पूरी तरह से वैश्विक मानकों, जिसमें WHO और EPA मानक पेयजल के लिए और FAO जल गुणवत्ता मानक कृषि उपयोग के लिए शामिल हैं, के अनुरूप है।

प्रोफेसर ओमर याघी द्वारा स्थापित – रेटिक्युलर रसायन विज्ञान के पिता – Atoco मानता है कि वह जलवायु परिवर्तन के कारण और प्रभाव दोनों को संबोधित कर सकता है और सतत, लचीले और परिवर्तनकारी समाधान विकसित करके वैश्विक तापमान वृद्धि और जल कमी को हल कर सकता है, विशेष रूप से वायुमंडलीय जल संग्रहण के क्षेत्र में।

#2. Watergen

Watergen, एक अग्रणी इज़राइली कंपनी और वायुमंडलीय पेयजल उपकरण (AWG) बाजार में वैश्विक नेता, ऐसे मशीनें प्रदान करती है जो पेयजल को सबसे प्रभावी और आर्थिक रूप से संभव तरीके से बनाती हैं। इसके समाधान विश्व भर के 65 से अधिक देशों में मौजूद हैं।

इसका व्यावसायिक Gen-L समाधान प्रतिदिन अधिकतम 6,000 लीटर जल उत्पन्न कर सकता है, जबकि छोटा Genny समाधान प्रतिदिन 30 लीटर प्रदान करता है। इन दो टर्मिनलों के बीच यह हर प्रकार की आवश्यकता के लिए समाधान प्रदान करता है।

2022 में, Watergen ने SMV Jaipuria Group के साथ एक रणनीतिक संयुक्त उद्यम की घोषणा की, जिसमें अगले 2‑3 वर्षों में भारत में वॉटर‑फ्रॉम‑एयर प्रौद्योगिकी उत्पाद लाने के लिए 50 मिलियन USD से अधिक का निवेश योजना में है।

समापन शब्द

समग्र रूप से, दुनिया तैयार है कि जल कमी की चुनौतियों का सीधे सामना करे, एक और प्रचुर प्राकृतिक संसाधन—वायुमंडलीय हवा—का कुशल उपयोग करके।

हालाँकि, उत्पादन लागत को घटाकर और प्रक्रियाओं को पर्यावरणीय रूप से सतत बनाकर, न्यूनतम या बिना ऊर्जा उपयोग के, सीमाओं को विस्तारित करने के लिए और अधिक कार्य करना आवश्यक है।

कई जल‑संकट वाले देश कम‑आय वाले अर्थव्यवस्थाएँ हैं। उन्हें ऐसी समाधान प्रदान करने की आवश्यकता है जो जन masses के लिए किफायती हों और सबसे सहज तरीके से लागू किए जा सकें।

यहाँ क्लिक करें यह जानने के लिए कि सौर‑ऊर्जा‑संचालित जलविघटन कैसे जल की कमी को हल कर सकता है।