वायुमंडल से सीधे कार्बन डाइऑक्साइड खींचने वाली तकनीक: डायरेक्ट एयर कैप्चर (DAC) कैसे काम करती है?
पृथ्वी के वायुमंडल से कार्बन उत्सर्जन कम करने के अलावा पहले से मौजूद CO2 को हटाने वाली आधुनिक तकनीक की वैज्ञानिक प्रक्रिया, लागत और चुनौतियों की गहरी समझ।
ग्लोबल वॉर्मिंग और जलवायु परिवर्तन के खिलाफ लड़ाई में अब तक ध्यान मुख्य रूप से नए कार्बन उत्सर्जन को रोकने पर केंद्रित था। लेकिन वातावरण में पहले से ही जमा हो चुकी कार्बन डाइऑक्साइड गैस (CO2) को हटाना भी उतना ही जरूरी हो गया है। इस कार्य के लिए डायरेक्ट एयर कैप्चर (Direct Air Capture - DAC) तकनीक एक महत्वपूर्ण साधन के रूप में उभरी है। डायरेक्ट एयर कैप्चर एक ऐसी रासायनिक या भौतिक प्रक्रिया है जिसके द्वारा वायुमंडलीय हवा से सीधे कार्बन डाइऑक्साइड को खींचकर अलग किया जाता है। यदि इस तरह से खींची गई CO2 को भूमिगत रूप से सुरक्षित रूप से लंबी अवधि के लिए संग्रहित किया जाता है, तो इस पूरी प्रक्रिया को डायरेक्ट एयर कार्बन कैप्चर एंड सीक्वेस्ट्रेशन (DACCS) कहा जाता है। ऐसी प्रणालियों को नेगेटिव एमिशन टेक्नोलॉजी (Negative Emissions Technologies - NET) के रूप में जाना जाता है, क्योंकि वे वातावरण में कार्बन जोड़ने के बजाय उसे कम करती हैं।
यह तकनीक सामान्य कार्बन कैप्चर एंड स्टोरेज (Carbon Capture and Storage - CCS) से बिल्कुल अलग है। पारंपरिक CCS पद्धतियां सीमेंट फैक्ट्री या बायोएनर्जी प्लांट की चिमनियों जैसे विशिष्ट स्रोतों से निकलने वाले धुएं से CO2 पकड़ती हैं, जहां कार्बन की सांद्रता बहुत अधिक होती है। इसके विपरीत, DAC वातावरण की सामान्य हवा से CO2 सोख लेती है, जहां कार्बन की सांद्रता प्रति मिलियन केवल 400 भाग (400 ppm) जितनी अत्यंत कम होती है। इसलिए, वायुमंडलीय हवा से शुद्ध CO2 को अलग करने के लिए उच्च स्तरीय रासायनिक प्रक्रियाओं और ऊर्जा की आवश्यकता होती है। पहली बार 1999 में प्रस्तावित की गई इस पद्धति पर वर्तमान में दुनिया भर में तेजी से शोध और वाणिज्यिक संयंत्रों का निर्माण हो रहा है।
- 1. संपर्क चरण (Contacting Stage)बड़े पंखों (fans) की मदद से वायुमंडलीय हवा को कैप्चर उपकरण में खींचा जाता है।
- 2. कैप्चर चरण (Capture Stage)हवा में मौजूद CO2 तरल सॉल्वेंट या ठोस सॉर्बेंट के साथ तीव्र रासायनिक प्रतिक्रिया करके बंध जाता है।
- 3. सेपरेशन चरण (Separation Stage)बाहरी ऊष्मा या ऊर्जा देकर शोषक माध्यम से शुद्ध CO2 गैस को अलग किया जाता है।
- 4. भंडारण और पुन: उपयोग (Storage & Recycling)अलग किए गए CO2 को संकुचित कर भूमिगत संग्रहित किया जाता है और शोषक माध्यम पुन: उपयोग के लिए मुक्त हो जाता है।
कार्यपद्धति: वायुमंडलीय हवा से CO2 अलग करने की तीन चरणों वाली प्रक्रिया
डायरेक्ट एयर कैप्चर पद्धति मुख्य रूप से तीन एकीकृत चरणों में कार्य करती है: संपर्क चरण (contacting stage), कैप्चर चरण (capture stage), और सेपरेशन यानी अलग करने का चरण (separation stage)। पहले चरण में, DAC सिस्टम में लगे विशाल पंखों (fans) की मदद से वायुमंडलीय हवा को सक्षम उपकरणों की ओर खींचा जाता है। यह हवा कैप्चर रिएक्टर या मॉलिक्यूलर फिल्टर से होकर गुजरती है।
दूसरे चरण में, हवा में मौजूद CO2 गैस तरल सॉल्वेंट (solvent: गैस घोलने वाला तरल) या ठोस सॉर्बेंट (sorbent: अणुओं को सतह पर बांधने वाला ठोस पदार्थ) के साथ तेजी से रासायनिक प्रक्रिया करके बंध जाती है। रासायनिक माध्यमों की बाइंडिंग एनर्जी को इस तरह डिजाइन किया जाता है कि वह अत्यंत पतली हवा से भी CO2 के अणुओं को जकड़ लेती है। यह प्रक्रिया पूरी होने के बाद केवल शुद्ध हवा के अवशेष बाहर फेंके जाते हैं।
तीसरे चरण में, जकड़ी हुई CO2 को सॉल्वेंट या सोर्बेंट से मुक्त करने के लिए बाहरी ऊर्जा (मुख्यतः गर्मी) दी जाती है। इस ऊर्जा के कारण रासायनिक बंध टूटते हैं और शुद्ध CO2 गैस का प्रवाह मुक्त होता है। मुक्त हुई इस गैस से नमी दूर करके उसे संकुचित (compression) किया जाता है। इसी समय रासायनिक माध्यम पुनः सक्रिय (regenerate) हो जाता है, ताकि उसका पुनः कैप्चर प्रक्रिया में उपयोग किया जा सके। मुक्त हुई शुद्ध CO2 को तत्पश्चात भूमिगत स्थायी स्टोरेज के लिए भेजा जाता है या औद्योगिक उपयोग में लिया जाता है।
| लक्षण | सॉलिड DAC (S-DAC) | लिक्विड DAC (L-DAC) |
|---|---|---|
| शोषक माध्यम (Sorbent Media) | एमाइन युक्त ठोस मॉलिक्यूलर फिल्टर | सोडियम हाइड्रोक्साइड जैसा तरल सॉल्वेंट |
| प्रक्रिया तापमान (Temperature) | कम तापमान (Low temperature) | उच्च तापमान या कम तापमान |
| अलग करने की पद्धति (Separation) | ऊष्मा और निर्वात (Heat & Vacuum) | कॉस्टिकाइजिंग और उच्च तापमान पर गर्मी |
| ऊर्जा आवश्यकता (Energy) | मुख्यतः अल्प-तापमान ऊष्मा | उच्च तापमान ऊष्मा और बिजली |
टेक्नोलॉजी के मुख्य प्रकार: लिक्विड (L-DAC) और सॉलिड (S-DAC)
औद्योगिक स्तर पर अमल में लाने के लिए वर्तमान में दो मुख्य DAC टेक्नोलॉजी परिपक्व मानी जाती हैं: सॉलिड सोर्बेंट DAC (S-DAC) और लिक्विड सॉल्वेंट DAC (L-DAC)। सॉलिड DAC सामान्यतः कम गर्मी वाली प्रक्रियाओं का उपयोग करती है। इस पद्धति में एमाइन (amine) युक्त छिद्रयुक्त ठोस फिल्टर पर CO2 केमिकल अवशोषण (chemisorption) द्वारा चिपक जाती है। इस CO2 को मुक्त करने के लिए कम गर्मी और निर्वात (vacuum) का उपयोग किया जाता है।
दूसरी ओर, लिक्विड DAC (L-DAC) सामान्यतः सोडियम हाइड्रोक्साइड (sodium hydroxide) जैसे कॉस्टिक तरल सॉल्वेंट का उपयोग करती है। यह तरल CO2 के साथ प्रक्रिया करके सोडियम कार्बोनेट बनाता है। सोडियम कार्बोनेट को उच्च तापमान पर गर्म करके उसमें से शुद्ध CO2 गैस प्राप्त की जाती है और कॉस्टिकाइजिंग (causticizing) प्रक्रिया द्वारा सोडियम हाइड्रोक्साइड को पुनः प्राप्त करके फिर से उपयोग में लाया जाता है। L-DAC पद्धति को कार्य करने के लिए उच्च तापमान वाली गर्मी और बिजली दोनों की आवश्यकता होती है।
ટન CO2 ઉત્સર્જન / ટન CO2 કેપ્ચર
इन दो मुख्य पद्धतियों के अलावा अन्य नवीन तकनीकें भी तेजी से विकसित हो रही हैं। आयरलैंड स्थित Carbon Collect Limited कंपनी ने 'MechanicalTree' नामक निष्क्रिय कैप्चर (passive capture) टेक्नोलॉजी विकसित की है, जो किसी भी पंखे के बिना केवल हवा की दिशा में खड़े रहकर हवा में से CO2 सोख लेती है, जिससे ऊर्जा का खर्च बहुत घट जाता है। 2012 में प्रोफेसर क्लॉस लेकनर द्वारा विकसित मॉइस्चर-स्विंग एडसॉर्प्शन (moisture-swing adsorption) में Marathon MSA नामक एनायोनिक एक्सचेंज पॉलिमर रेजिन का उपयोग होता है, जो सूखे वातावरण में CO2 सोखता है और नमी वाले वातावरण में उसे मुक्त करता है।
इसके अलावा, मेटल-ऑर्गेनिक फ्रेमवर्क्स (Metal-Organic Frameworks - MOFs) भी इस क्षेत्र में क्रांति ला रहे हैं। MOF धातु के आयनों और ऑर्गेनिक अणुओं से बनने वाली अत्यंत छिद्रयुक्त त्रि-आयामी क्रिस्टलीय संरचनाएं हैं। 2023 में Meta AI की FAIR टीमों और जॉर्जिया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी द्वारा 'OpenDAC' डेटासेट जारी किया गया था। इन शोधकर्ताओं ने 400 मिलियन CPU घंटों की क्वांटम केमिस्ट्री कंप्यूटेशनल गणनाओं के माध्यम से उपयुक्त MOF सामग्री की खोज को तेज किया है। इसके अतिरिक्त मेम्ब्रेन-बेस्ड DAC (m-DAC), इलेक्ट्रो-स्विंग एडसॉर्प्शन (ESA), और ग्लेशियर बर्फ द्वारा पिसे हुए पत्थरों के चूरे (rock flour) का उपयोग भी अनुसंधान के अधीन है, जहाँ 1 टन ग्रीनलैंडिक रॉक फ्लोर 250 किलोग्राम (550 पाउंड) कार्बन सोख सकता है।
आंकड़े, लागत और ऊर्जा की खपत
डायरेक्ट एयर कैप्चर तकनीक के सामने सबसे बड़ी चुनौती इसकी अत्यधिक लागत और ऊर्जा खपत है। कंपनियों की रिपोर्टों और आंकड़ों के अनुसार, 2025 तक वातावरण से 1 टन CO2 हटाने की लागत 1,000 डॉलर से भी अधिक रही है। यह लागत वर्तमान कार्बन कीमतों से कई गुना अधिक होने के कारण इसे सामान्य एमिशन ट्रेडिंग में व्यापक रूप से शामिल नहीं किया जा सका है। हालाँकि, कुछ विशेषज्ञों का मानना है कि जब वार्षिक 1 मिलियन टन (1 Mtpa) की क्षमता वाले प्लांट स्थापित होंगे, तब यह लागत घटकर प्रति टन 200 डॉलर से नीचे आ सकती है, हालाँकि इस अनुमान को लेकर विशेषज्ञों में मतभेद है।
पर्यावरणीय प्रभाव की दृष्टि से, DAC प्लांट चलाने के लिए उपयोग की जाने वाली बिजली का स्रोत अत्यंत महत्वपूर्ण है। यदि DAC प्लांट चलाने के लिए नवीकरणीय पवन ऊर्जा (renewable wind energy) का उपयोग किया जाए, तो 1 टन CO2 कैप्चर करने के बदले केवल 0.01 टन CO2 उत्सर्जित होता है। लेकिन यदि ग्रिड बिजली और नेचुरल गैस की गर्मी का उपयोग किया जाए, तो 1 टन CO2 कैप्चर करने के बदले 0.65 टन CO2 का नया उत्सर्जन होता है। इसलिए, यदि ग्रिड बिजली का उत्सर्जन फैक्टर 0.3077 kgCO2/kWh से अधिक न हो और प्लांट की 50 से 80% बिजली पवन ऊर्जा से प्राप्त होती हो, तभी उच्च कार्बन मुक्ति प्राप्त की जा सकती है।
મિલિયન ટન CO2 / વર્ષ
अंतर्राष्ट्रीय ऊर्जा एजेंसी (IEA) के नेट जीरो रोडमैप के अनुसार, पेरिस समझौते के लक्ष्यों (वैश्विक तापमान वृद्धि को 2 डिग्री सेल्सियस से नीचे रखना) को प्राप्त करने के लिए 2030 तक वार्षिक 85 मिलियन टन और 2050 तक वार्षिक 980 मिलियन टन (लगभग 0.1 गीगाटन) CO2 कैप्चर करना आवश्यक होगा।
हालांकि, DAC की कड़ी आलोचना भी हो रही है। 2020 के एक वैज्ञानिक विश्लेषण के अनुसार, यदि वार्षिक 30 गीगाटन CO2 कैप्चर करने का प्रयास किया जाए तो उसके लिए 16.3 से 27.8 गीगाटन अमोनिया (NH3) और 8.4 से 13.1 टेरावाट-वर्ष ऊर्जा (वैश्विक ऊर्जा आपूर्ति का 46 से 71%) की आवश्यकता होगी, जो असंभव के समान है। 2021 के एक अन्य अध्ययन के अनुसार, 73 से 86% कार्बन रिमूवल दर बनाए रखने के लिए दुनिया भर में पेट्रोल कारों से इलेक्ट्रिक व्हीकल (EV) की ओर जाने में जितनी बिजली और जमीन चाहिए, उतनी ऊर्जा DAC प्लांट्स के पीछे खर्च हो जाएगी। हालांकि, ये आलोचनाएं 30 गीगाटन के काल्पनिक स्तर पर आधारित थीं, जबकि IEA का वास्तविक लक्ष्य 0.1 गीगाटन (980 मिलियन टन) का है।
पर्यावरणीय प्रभाव और भविष्य की दिशा
डायरेक्ट एयर कैप्चर तकनीक में स्टील, सीमेंट, जिओलाइट्स और मेटालिक हाइड्रोक्साइड्स जैसी सामान्य सामग्रियों का उपयोग होता है। यह बात इलेक्ट्रिक वाहनों में उपयोग होने वाली दुर्लभ क्रिटिकल सामग्रियों की तुलना में एक प्लस पॉइंट है। फिर भी, उच्च तापमान की गर्मी और जमीन की आवश्यकता इस तकनीक के व्यापक उपयोग के सामने एक बड़ी सीमा तय करती है।
वैज्ञानिकों और पर्यावरणविदों का स्पष्ट रूप से मानना है कि DAC कार्बन उत्सर्जन घटाने का विकल्प नहीं बल्कि एक पूरक साधन है। यदि उद्योग यह सोचकर उत्सर्जन जारी रखेंगे कि DAC द्वारा बाद में वातावरण साफ कर दिया जाएगा, तो यह अत्यंत जोखिम भरा साबित होगा। हवाई जहाजों और स्पेस फ्लाइट्स जैसे क्षेत्रों में जहां उत्सर्जन को शून्य करना कठिन है, वहां जेट फ्यूल के उपयोग से पहले या बाद में DAC द्वारा कार्बन की भरपाई करना एक उचित रणनीति हो सकती है। भविष्य के नवाचार और ऊर्जा दक्षता में सुधार ही तय करेंगे कि यह क्रांतिकारी तकनीक पृथ्वी को क्लाइमेट चेंज के संकट से बचाने में कितनी मददगार साबित होगी।
