सौर ऊर्जा से विलवणीकरण — जल संकट से निपटने के नए तरीके

जल संकट की समस्या हमारी कल्पना से अधिक गंभीर है। संयुक्त राष्ट्र पर्यावरण कार्यक्रम के अनुसार, दुनिया की लगभग आधी आबादी, यानी करीब चार अरब लोग, साल में कम से कम एक महीने गंभीर जल कमी का सामना करते हैं।

FAO के एक पुराने पूर्वानुमान में 2025 तक लगभग 1.8 अरब लोगों के पूर्ण जल अभाव वाले क्षेत्रों में रहने की आशंका व्यक्त की गई थी। यह पूर्वानुमान था, 2025 की वास्तविक जनगणना या मापा हुआ परिणाम नहीं।

इतनी व्यापक समस्या से निपटने के लिए जल संरक्षण, पुनः उपयोग और नए स्रोतों का विवेकपूर्ण इस्तेमाल जरूरी है।

उदाहरण के लिए, जल संकट से लड़ने के लिए समुद्री जल को मीठे पानी में बदलना एक अत्यधिक प्रभावी समाधान है क्योंकि समुद्री जल की आपूर्ति प्रचुर मात्रा में है। यदि यह प्रक्रिया नवीकरणीय ऊर्जा, जैसे सौर ऊर्जा, का उपयोग करके की जा सके तो यह और भी बेहतर होगा।

समुद्री जल से पेयजल उत्पादन के लिए ऊर्जा-कुशल उपकरण

समुद्री पानी से नमक हटाने की प्रक्रिया विलवणीकरण कहलाती है। रिवर्स ऑस्मोसिस में पानी को दबाव देकर झिल्ली से गुजारा जाता है। ऊर्जा की जरूरत, झिल्ली पर जमाव और रखरखाव इसकी प्रमुख चुनौतियाँ हैं। हालांकि उचित संचालन और सफाई के साथ वाणिज्यिक संयंत्र लगातार चल सकते हैं।

वाटरलू विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की टीम ने अब एक प्राकृतिक जल चक्र से प्रेरित समाधान विकसित किया, जिसमें पेड़ों की जड़ों से पत्तियों तक पानी पहुँचने की प्रक्रिया से प्रेरणा ली गई है।

डॉ. माइकल टैम, वाटरलू के रासायनिक अभियांत्रिकी विभाग के प्रोफेसर के अनुसार:

“हमारी प्रेरणा प्रकृति के स्वयं को बनाए रखने के तरीके और पर्यावरण में जल के वाष्पीकरण व संघनन को देख कर आती है।”

इस डिजाइन का उद्देश्य नमक का जमाव कम करना और रखरखाव की जरूरत घटाना है। बड़े पैमाने पर दीर्घकालिक उपयोग की पुष्टि के लिए आगे परीक्षण आवश्यक हैं।

प्रणाली में पानी सतह तक पहुँचता है, सौर ऊष्मा से वाष्पित होता है और भाप संघनित होकर मीठा पानी देती है। नमक को सक्रिय सतह से दूर ले जाने वाला प्रवाह जमाव रोकने में मदद करता है।

उपकरण की एक और विशेषता यह है कि वह सूर्य की ऊर्जा को ऊष्मा में बदलता है। शोधकर्ताओं ने लगभग 93% सौर-तापीय रूपांतरण दक्षता बताई है; यह सौर बिजली उत्पादन की दक्षता नहीं है।

टीम ने लगभग 20 लीटर प्रति वर्ग मीटर प्रतिदिन मीठे पानी के उत्पादन की संभावना बताई। विश्वविद्यालय ने तुलनीय मौजूदा तरीकों की अपेक्षा पाँच गुना बेहतर प्रदर्शन का उल्लेख किया, लेकिन इसे हर वाणिज्यिक रिवर्स ऑस्मोसिस संयंत्र से पाँच गुना बेहतर मानना उचित नहीं है।

लगभग 20 लीटर प्रतिव्यक्ति प्रतिदिन का संदर्भ बुनियादी पेयजल और स्वच्छता जरूरतों के लिए है, केवल पीने के पानी के लिए नहीं।

आधार के रूप में निकेल फोम का इस्तेमाल किया गया, जिस पर चालक पॉलिमर और तापमान के प्रति संवेदनशील पराग कणों की परत चढ़ाई गई। यह संरचना व्यापक सौर स्पेक्ट्रम में प्रकाश अवशोषित करके ऊष्मा पैदा करती है।

पॉलिमर पर खारे पानी की पतली परत गर्म होती है और केशिका प्रवाह से ऊपर पहुँचती है। वाष्पीकरण के दौरान नमक निचली परत की ओर लौटता है, जिससे सतह पर अवरोध कम हो सकता है।

पोर्टेबल डिजाइन दूरस्थ तटीय और द्वीपीय क्षेत्रों के लिए उपयोगी हो सकता है। सितंबर 2024 में टीम बड़े पैमाने पर समुद्री परीक्षण के लिए प्रोटोटाइप बनाने की योजना बता रही थी।

वाटरलू के रासायनिक अभियांत्रिकी विभाग के प्रोफेसर डॉ. युनिंग ली ने कहा:

“यह नया उपकरण न केवल कुशल है बल्कि पोर्टेबल भी है, जिससे यह उन दूरस्थ क्षेत्रों में उपयोग के लिए आदर्श बनता है जहाँ ताज़ा पानी की पहुँच सीमित है।”

संभावित लाभों को और विस्तार से बताने के लिए, डॉ. माइकल टैम ने कहा:

“यदि परीक्षण सफल सिद्ध होता है, तो यह तकनीक सतत रूप से तटीय समुदायों को ताज़ा पानी प्रदान कर सकती है और UN के सतत विकास लक्ष्य 3, 6, 10 और 12 को आगे बढ़ा सकती है।”

जबकि उपरोक्त शोध ने वैज्ञानिक समुदाय और सतत मीठे पानी समाधान के लिए काम करने वाले लोगों में बहुत आशा जगाई है, अन्य शोधकर्ता भी इस दिशा में कार्यरत हैं।

अगले भाग में हम 2022 में MIT द्वारा प्रस्तुत पोर्टेबल विलवणीकरण इकाई पर नज़र डालते हैं।

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पेयजल बनाने वाली पोर्टेबल विलवणीकरण इकाई

अप्रैल 2022 में, MIT के शोधकर्ताओं ने एक पोर्टेबल विलवणीकरण इकाई विकसित की । सूटकेस के आकार का यह प्रोटोटाइप 10 किलोग्राम से कम वजन का था। इसे चलाने के लिए कम बिजली की जरूरत थी और लगभग US$50 का छोटा सौर पैनल बिजली दे सकता था। US$50 पूरी विलवणीकरण इकाई की कीमत नहीं थी। यह बदलने योग्य फिल्टर कार्ट्रिज के बजाय विद्युत क्षेत्र आधारित पृथक्करण का उपयोग करती थी।

आयन सांद्रता ध्रुवीकरण: बदलने योग्य फिल्टर के बिना पृथक्करण

शोधकर्ताओं के दशक‑लंबे कार्य का परिणाम यह प्रक्रिया थी, जिसमें जल चैनल के ऊपर और नीचे स्थित झिल्ली पर विद्युत क्षेत्र लागू किया गया। विद्युत क्षेत्र पानी में मौजूद आवेशित कणों, जैसे नमक के आयनों, तथा कुछ जीवाणुओं और विषाणुओं को अलग प्रवाह की ओर मोड़ता है। इस तरह घुले हुए और निलंबित पदार्थ अलग किए जाते हैं। प्रक्रिया में आयन-विनिमय झिल्लियाँ मौजूद रहती हैं; फिल्टर-रहित का अर्थ झिल्ली-रहित नहीं है।

शोधकर्ताओं ने अपने समाधान को विकसित करते समय मशीन लर्निंग का भी उपयोग किया । इससे दो चरणों वाली ICP व्यवस्था चुनी गई: पहले चरण में छह मॉड्यूल, दूसरे में तीन, और उसके बाद एक इलेक्ट्रोडायलिसिस चरण। कुल व्यवस्था केवल छह मॉड्यूल की नहीं थी।

उपकरण को गैर-विशेषज्ञों के लिए सरल बनाया गया था। एक बटन से स्वचालित विलवणीकरण और शुद्धिकरण प्रक्रिया शुरू हो सकती थी।

यह उपयोगकर्ताओं को तब सूचित भी कर सकती है जब लवणता स्तर और कण संख्या एक विशिष्ट सहनशील सीमा से नीचे आ जाए। डेटा पढ़ने को सरल और सहज बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक स्मार्टफ़ोन ऐप प्रदान किया जो इकाई को वायरलेस रूप से नियंत्रित कर सकता है और शक्ति खपत तथा जल लवणता के सभी उपलब्ध डेटा को वास्तविक‑समय में रिपोर्ट करता है।

आंशिक रूप से, DEVCOM Soldier Center, Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J‑WAFS), Northeastern University के Experimental AI Postdoc Fellowship Program, और Roux AI Institute द्वारा वित्तपोषित, इस शोध ने संतोषजनक परिणाम प्रदान किए।

बोस्टन के कार्सन बीच पर परीक्षण में प्रोटोटाइप ने प्रति घंटे लगभग 0.3 लीटर पानी बनाया और प्रति लीटर करीब 20 वाट-घंटा ऊर्जा इस्तेमाल की। शोधकर्ताओं के अनुसार पानी WHO के संबंधित गुणवत्ता दिशानिर्देशों पर खरा उतरा और निलंबित ठोस कम से कम दस गुना घटे। यह शोध प्रोटोटाइप का परिणाम था।

प्रयोग के परिवर्तनकारी स्वरूप को समझाते हुए, वरिष्ठ लेखक जॉन्ग्यून हान, इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और कंप्यूटर साइंस तथा बायोलॉजिकल इंजीनियरिंग के प्रोफेसर और रिसर्च लैबोरेटरी ऑफ इलेक्ट्रॉनिक्स (RLE) के सदस्य, ने कहा:

“यह मेरी टीम की लगभग दस साल की यात्रा का परिणाम है। अलग-अलग प्रक्रियाओं पर किए गए काम को एक पोर्टेबल प्रणाली में जोड़कर समुद्र में प्रदर्शित करना बहुत सार्थक था,” हान ने कहा।

विश्वविद्यालयों के शोध के साथ-साथ कंपनियाँ भी विलवणीकरण संयंत्रों का निर्माण और संचालन करती हैं। बड़े पैमाने पर पानी उपलब्ध कराने के लिए शोध को भरोसेमंद वाणिज्यिक प्रणालियों में बदलना जरूरी है। अगले भागों में हम ऐसी कुछ कंपनियों पर नज़र डालेंगे।

#1. Consolidated Water Co. Ltd. (NASDAQ: CWCO)

कंपनी समुद्री जल रिवर्स ऑस्मोसिस विलवणीकरण प्रणालियों के डिजाइन और निर्माण के लिए इंजीनियरिंग सेवाएँ देती है। इसमें नई स्थापना, विस्तार और पुरानी प्रणालियों का उन्नयन शामिल है।

Nasdaq पर सूचीबद्ध कंपनी DesalCo के माध्यम से विलवणीकरण परियोजनाओं के लिए प्रबंधन, इंजीनियरिंग और निर्माण सेवाएँ देती है।

विलवणीकरण के दो प्रमुख तरीके हैं:

(i) तापीय आसवन
(ii) झिल्ली आधारित पृथक्करण।

रिवर्स ऑस्मोसिस में खारे पानी पर दबाव लगाया जाता है और पानी अर्धपारगम्य झिल्ली से गुजरता है, जबकि अधिकांश लवण पीछे रह जाते हैं। ऊर्जा लागत और अन्य परियोजना आवश्यकताएँ उपयुक्त तकनीक चुनने में भूमिका निभाती हैं।

Consolidated Water (CWCO ) का Blue Hills संयंत्र नासाउ, न्यू प्रोविडेंस, बहामास में है। जुलाई 2006 में शुरू होने पर इसकी क्षमता लगभग 7.2 मिलियन यूएस गैलन प्रतिदिन थी। बाद के विस्तार से यह 12 मिलियन यूएस गैलन प्रतिदिन तक पहुँची।

2023 में, कंपनी ने PERC Water Corporation (“PERC”) के शेष 39% स्वामित्व का अधिग्रहण पूरा किया, जिससे यह इस सहायक कंपनी का 100% मालिक बन गया, जो दक्षिण‑पश्चिमी यूएस में जल बुनियादी ढांचा सुविधाओं को डिजाइन, निर्माण, संचालन और प्रबंधन करती है।

2023 में समूह को होनोलूलू, हवाई में एक नई समुद्री जल विलवणीकरण सुविधा के डिजाइन, निर्माण और संचालन से संबंधित लगभग US$204 मिलियन का अनुबंध मिला।

कंपनी का ग्रैंड केमैन में खुदरा कारोबार एबेल कास्टिलो वाटर वर्क्स (ACWW) और वेस्ट बे स्थलों पर तीन समुद्री जल रिवर्स ऑस्मोसिस संयंत्रों से पेयजल बनाता है।

ACWW में स्थित दो प्लांटों की कुल उत्पादन क्षमता 3.0 मिलियन गैलन पानी प्रतिदिन है। वेस्ट बे प्लांट की उत्पादन क्षमता 1,000,000 गैलन पानी प्रतिदिन है।

2023 में कंपनी का राजस्व US$180.2 मिलियन था, जबकि 2022 में US$94.1 मिलियन था। निरंतर परिचालन से शुद्ध आय US$30.7 मिलियन और प्रति शेयर आय US$1.93 रही। लेख में नवंबर 2023 के US$38.29 शेयर भाव का उल्लेख है; यह ऐतिहासिक बाजार आँकड़ा है।

#2. Veolia 

Veolia जल अभाव से निपटने के लिए विलवणीकरण को एक विकल्प मानती है। उसने नगरपालिका और औद्योगिक जरूरतों के लिए कई संयंत्र बनाए हैं। लेख में बहरीन के Al Dur 2, सऊदी अरब के Rabigh 3 और संयुक्त अरब अमीरात के Umm Al Quwain IWP का उल्लेख है।

2007 से, कंपनी ने ओमान पावर एंड वाटर प्रोक्योरमेंट कंपनी (OPWP) के साथ मिलकर सूर के समुद्री जल रिवर्स ओस्मोसिस प्लांट का निर्माण और संचालन किया है। यह सुविधा 600,000 से अधिक लोगों को पेयजल प्रदान करती है। Veolia औद्योगिक आवश्यकताओं के लिए भी विलवणीकरण सुविधाएँ बनाती है।

Veolia की Barrel तकनीक कॉम्पैक्ट और मॉड्यूलर रिवर्स ऑस्मोसिस प्रणाली है। इसके डिजिटल सेंसर दूरस्थ निगरानी में मदद करते हैं। स्थापना की गति और संचालन लागत परियोजना की परिस्थितियों पर निर्भर करती हैं।

Veolia, अपने सीधे विलवणीकरण समाधान के अलावा, अपने ग्राहकों को डिजिटल टूल्स और विशेषज्ञता के संयोजन से मदद करती है, जिससे प्रक्रियाएँ अधिक स्मार्ट, सुरक्षित और सतत बनती हैं।

इसके स्थापित बेस सर्विसेज पोर्टफोलियो में ग्राहक की विशिष्ट आवश्यकताओं के अनुसार अनुकूलित जल उपचार सेवाएँ शामिल हैं। Veolia की मोबाइल जल सेवाएँ किराए पर उपलब्ध संपत्तियों के माध्यम से ग्राहक साइट संचालन को अस्थायी और दीर्घकालिक जल उपचार आवश्यकताओं के लिए समर्थन और सहायता प्रदान करती हैं। अंत में, इसके जल उपचार रसायन कार्यक्रम शाखा के तहत, कंपनी जल स्वच्छता और HYDREX रासायनिक समाधान प्रदान करती है, जो उपयोगिता और जल उपचार उपकरणों के प्रदर्शन को बढ़ाते हैं।

Veolia (OTC: VEOVY) के शेयर ओवर‑द‑काउंटर (OTC) बाजार में ट्रेड होते हैं। 2024 की पहली छमाही में, कंपनी ने 22.141 बिलियन यूरो का राजस्व दर्ज किया, जबकि 2023 की पहली छमाही में €22.755 बिलियन था। रिपोर्ट किए गए राजस्व में गिरावट के बावजूद स्थिर विनिमय दर और कारोबार दायरे पर वृद्धि 0.4% थी। जल कारोबार का राजस्व करीब €8.798 बिलियन था; अन्य प्रमुख कारोबार कचरा और ऊर्जा हैं।

विलवणीकरण का बढ़ता महत्व

दुनिया के कई क्षेत्रों में विलवणीकरण पेयजल का महत्वपूर्ण स्रोत है। उद्योग के अनुमानों में अनुबंधित वैश्विक क्षमता 100 मिलियन घन मीटर प्रतिदिन से अधिक बताई गई है, और करोड़ों लोग इस पानी पर निर्भर हैं। अनुबंधित क्षमता, चालू क्षमता और वास्तविक उत्पादन अलग माप हैं। कुवैत जैसे देशों में नगरपालिका जल आपूर्ति का बड़ा हिस्सा विलवणीकरण से आता है।

क्षमता का वितरण असमान है। मध्य पूर्व में इसकी विशेष रूप से बड़ी भूमिका है, जबकि उत्तरी अमेरिका और अन्य क्षेत्रों में भी संयंत्र हैं। क्षेत्रीय हिस्सेदारी का अर्थ इस्तेमाल किए गए स्रोत, वर्ष और संयंत्रों की श्रेणी के अनुसार बदलता है।

दुनिया भर के संयंत्र समुद्री और खारे भूजल सहित विभिन्न स्रोतों का उपचार करते हैं; सभी संयंत्र समुद्री जल पर आधारित नहीं हैं। प्रक्रिया से अधिक लवण वाला अपशिष्ट प्रवाह, यानी ब्राइन, निकलता है। उसका आयतन, तापमान और लवणता तकनीक तथा स्रोत के अनुसार बदलते हैं। इसलिए सभी संयंत्रों पर एक ही 60 ग्राम/लीटर या तापमान लागू नहीं होता।

नवीकरणीय बिजली, बेहतर ऊर्जा पुनर्प्राप्ति और जिम्मेदार ब्राइन प्रबंधन से पर्यावरणीय प्रभाव कम किए जा सकते हैं। पानी की लगभग पूरी मात्रा वापस लेने से लवण समाप्त नहीं हो जाते; बचा हुआ ठोस या सांद्र अपशिष्ट भी सुरक्षित ढंग से संभालना पड़ता है।

अंतर्देशीय क्षेत्रों तक पानी पहुँचाने के लिए परिवहन और वितरण ढाँचा भी चाहिए। दूरी, ऊँचाई, ऊर्जा और लागत तय करते हैं कि विलवणीकरण स्थानीय जल प्रबंधन के साथ कहाँ उपयोगी होगा।

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