शिवाजी विद्यापीठाकडून विज्ञानजगताला नवा सिद्धांत आणि समीकरणाची देणगी

 प्रा. ज्योती जाधव, शुभम सुतार यांनी मांडली ‘थिअरी ऑफ पोअर कॉन्फ्लेशन’ आणि ‘शुभज्योत समीकरण’

प्रा. डॉ. ज्योती जाधव

श्री. शुभम सुतार

संशोधक डॉ. ज्योती जाधव आणि शुभम सुतार यांचे पुष्पगुच्छ देऊन अभिनंदन करताना शिवाजी विद्यापीठाचे कुलगुरू डॉ. दिगंबर शिर्के आणि प्र-कुलगुरू डॉ. प्रमोद पाटील.

'स्प्रिंजर नेचर'च्या वेबसाईटवर देण्यात आलेली शोधनिबंधाची लिंक (स्क्रीनशॉट)

पोअर कॉन्फ्लेशन सिद्धांताचे विश्लेषण दर्शविणाऱ्या आकृती आणि शुभज्योत समीकरण

(डॉ. ज्योती जाधव आणि शुभम सुतार यांची 'शिव-वार्ता' वाहिनीवरील विशेष मुलाखत)

कोल्हापूर, दि. २१ जानेवारी: औद्योगिक सांडपाणी प्रक्रिया आणि शुद्धीकरण या जगाला भेडसावणाऱ्या समस्येच्या अनुषंगाने संशोधन करीत असताना शिवाजी विद्यापीठाच्या जैवतंत्रज्ञान अधिविभागातील संशोधकांनी जागतिक अॅडसॉर्पशन विज्ञानाच्या क्षेत्राला ‘थिअरी ऑफ पोअर कॉन्फ्लेशन’ या नव्या सिद्धांताची तसेच ‘शुभज्योत इक्वेशन’ या नव्या समीकरणाची देणगी दिली आहे.

जागतिक आघाडीच्या २ टक्के शास्त्रज्ञांमध्ये समाविष्ट असलेल्या ज्येष्ठ संशोधक डॉ. ज्योती जाधव आणि त्यांचे संशोधक विद्यार्थी शुभम सुतार यांनी हे संशोधन केले आहे. ‘स्प्रिंजर नेचर’च्या प्रतिष्ठित ‘बायोचार’ या शोधपत्रिकेमध्ये नुकताच त्यांचा ‘‘थिअरी ऑफ पोअर कॉन्फ्लेशन’ अँड ‘शुभज्योत इक्वेशन’ इन दि ट्रिटमेंट ऑफ ब्रिलियंट ग्रीन डाय-कॉन्टॅमिनेटेड वॉटर युजिंग जामून लिव्ह्ज बायोचार’ हा तब्बल २८ पृष्ठांचा शोधनिबंध प्रकाशित झाला असून वैज्ञानिक जगताकडून त्यांच्यावर अभिनंदनाचा वर्षाव होत आहे.

शिवाजी विद्यापीठाच्या जैवतंत्रज्ञान अधिविभागात गेल्या वीस वर्षांपासून औद्योगिक सांडपाणी प्रक्रिया, शुद्धीकरण आणि त्याचे व्यवस्थापन या विषयाच्या अनुषंगाने सातत्याने संशोधन सुरू आहे. विशेषतः वस्त्रोद्योग कारखान्यांमधून जी प्रदूषक रंगद्रव्ये सांडपाण्यात मिसळलेली असतात. त्यांच्यावर प्रक्रिया करून ते सांडपाणी नैसर्गिक पद्धतीने शुद्ध करण्याच्या दिशेने प्रा. ज्योती जाधव यांचे संशोधन केंद्रित आहे. निसर्गातील विविध सेंद्रिय घटकांचा वापर करून ‘बायोचार’ हा सांडपाण्यातून रंग-प्रदूषके शोषून घेणारा स्पंजसारखा सच्छिद्र पदार्थ निर्माण करणे आणि त्याची शोषण क्षमता वाढवित जाऊन संबंधित सांडपाण्याचे जास्तीत जास्त शुद्धीकरण करणे, अशी या संशोधनाची दिशा आहे.

प्रा. ज्योती जाधव यांच्या मार्गदर्शनाखाली शुभम सुतार या संशोधक विद्यार्थ्याने जांभळाच्या पानांपासून बायोचार तयार केला. पण या निर्मितीपुरतेच मर्यादित न राहता बायोचारच्या शोषण (अॅडसॉर्पशन) क्षमतेमधील वृद्धीचे विश्लेषण करण्याचा त्यांनी प्रयत्न केला. त्यातून ‘पोअर कॉन्फ्लेशनचा सिद्धांत’ साकारला. हा सिद्धांत तापमानाच्या अनुषंगाने बायोचारच्या शोषणक्षमता वृद्धीचे स्पष्टीकरण देतो. वैज्ञानिक जगतात प्रथमच अशा स्वरुपाची मांडणी झालेली आहे. उच्च तापमानात बायोचारची शोषणक्षमता कशी वाढते, हे संशोधकांनी यात स्पष्ट केले आहे. तापमानवाढीमुळे बायोचारमध्ये संरचनात्मक बदल होतात. त्याचा पृष्ठभाग आणि अंतर्गत क्षेत्र वाढते. यामुळे अंतिमतः त्याची सच्छिद्रता वाढून त्याच्या शोषण क्षमतेतही वाढ होते, असे हा सिद्धांत सांगतो. या सिद्धांतामुळे अॅडसॉर्पशन विज्ञानाच्या क्षेत्रात काम करणाऱ्या संशोधकांना पुढील संशोधन अधिक गतिमान होण्यासाठी मदत होणार आहे. संशोधकांना या सिद्धांताचा वापर मुख्यतः सर्व प्रकारच्या पाणी शुद्धीकरण करणारे रिअॅक्टर तयार करताना त्याची कार्यक्षमता वाढविण्यासाठी होणार आहे.

बायोचारच्या शोषण क्षमतावाढीचे मापन सलगपणे करता यावे, यासाठी शुभम यांचा, त्यांच्या सिद्धांताला गणितीय स्वरुप देण्याचा प्रयत्न यशस्वी झालेला असून त्यांनी या गुरूशिष्य जोडीच्याच नावाने ‘शुभज्योत समीकरणा’चीही देणगी अॅडसॉर्पशन विज्ञान क्षेत्राला दिली आहे. या क्षेत्रात या पूर्वी स्युडो फर्स्ट ऑर्डर आणि स्युडो सेकंड ऑर्डर रिअॅक्शन मॉडेल्स प्रचलित आहेत. ही मॉडेल्स बायोचारच्या शोषणक्षमतेचे मापन करीत असताना लागणाऱ्या वेळेचा विचार करीत नाहीत. नेमकी ही मर्यादा लक्षात घेऊन शुभम यांनी त्यामध्ये ‘ट्रान्झिएन्ट अॅडसॉर्पशन कपॅसिटी’ या संकल्पनेचा नव्याने समावेश केला आणि त्यावर आधारित शुभज्योत समीकरण मांडले. यामुळे बायोचारच्या शोषण क्षमतेमध्ये क्षणाक्षणाला काय परिवर्तन होते, ती संपृक्ततेच्या बिंदूपर्यंत (इक्विलिब्रियम) कशी बदलत जाते, या सर्वच गोष्टींचे स्पष्टीकरण हे समीकरण करते. यापूर्वी संशोधन क्षेत्राला बायोचारच्या शोषण क्षमतेसंदर्भात माहिती होती; मात्र, शुभज्योत समीकरणामुळे आता त्याची क्षमता संपृक्तबिंदूपर्यंत कमी होत जाते, हेही नव्याने सामोरे आले आहे. अॅडसॉर्पशन विज्ञान क्षेत्रातील संशोधकांना त्यांच्या संशोधनातील डेटा विश्लेषणासाठी या समीकरणाचा फार मोठा उपयोग होणार आहे.

‘यशाचे श्रेय शिवाजी विद्यापीठाचे’

औद्योगिक सांडपाणी प्रक्रिया व शुद्धीकरण क्षेत्रात गेली वीस वर्षे सातत्याने संशोधन करीत असलेल्या ज्येष्ठ शास्त्रज्ञ डॉ. ज्योती जाधव यांनी या संशोधनाचे संपूर्ण श्रेय हे शिवाजी विद्यापीठाचे असल्याचे सांगितले. या संशोधनाची सारी विश्लेषण प्रक्रिया ही शिवाजी विद्यापीठाच्याच जैवतंत्रज्ञान अधिविभागासह विविध अधिविभाग आणि मध्यवर्ती सुविधा केंद्र (सी.एफ.सी.) येथे उपलब्ध शास्त्रीय उपकरणांवर करण्यात आली आहे. त्यासाठी कोठेही बाहेर जाण्याची गरज भासली नाही. विद्यापीठाने उपलब्ध केलेली ही सामग्री आणि कुलगुरू डॉ. दिगंबर शिर्के, प्र-कुलगुरू डॉ. प्रमोद पाटील, कुलसचिव डॉ. विलास शिंदे यांच्यासह सर्वच प्रशासकीय घटकांचे पाठबळ या आधारावरच संशोधनाच्या क्षेत्रात इतकी मोठी झेप घेता आली, असे त्यांनी सांगितले.

‘मार्गदर्शकाचा विश्वास सार्थ, त्याला ‘महाज्योती’ची साथ’

संशोधक विद्यार्थी शुभम सुतार यांनी सांगितले की, हे संशोधन करीत असताना कित्येकदा त्याविषयी साशंकता वाटायची. मात्र मार्गदर्शक प्रा. जाधव यांनी मात्र संशोधन पुढे घेऊन जाण्यास सातत्याने प्रोत्साहित केले. त्यामुळेच सिद्धांत आणि समीकरण एकाच वेळी मांडता आले, याचे समाधान वाटते. यामध्ये मार्गदर्शकांची मोलाची भूमिका आहे. त्याचप्रमाणे महाराष्ट्र शासनाच्या ‘महाज्योती’ शिष्यवृत्तीमुळे मला हे संशोधन करता आले, हेही त्यांनी कृतज्ञतापूर्वक नमूद केले.

महत्त्व ओळखून शोधनिबंध विनाशुल्क प्रकाशित

‘स्प्रिंजर नेचर’ हा जगातील एक आघाडीचा नामांकित शोधपत्रिका समूह आहे. ‘बायोचार’ ही त्यांची अॅडसॉर्पशन विज्ञानाला वाहिलेली विशिष्ट शोधपत्रिका असून तिचा इम्पॅक्ट फॅक्टर १३.१ इतका आहे. गेल्या पाच वर्षांतला इम्पॅक्ट फॅक्टर १४.४ इतका उच्च आहे. एखादा शोधनिबंध येथे प्रकाशित करावयाचा, तर काही लाख रुपयांचे शुल्क रितसर भरावे लागत असते. तथापि, प्रा. जाधव आणि सुतार यांच्या संशोधनाचे महत्त्व ओळखून या शोधपत्रिकेने हा शोधनिबंध विनाशुल्क प्रकाशित केला आहे. दि. १३ जानेवारी २०२५ रोजी प्रकाशित झालेल्या ‘बायोचार’च्या सातव्या खंडात या शोधनिबंधाचा समावेश करण्यात आला असून जगभरातील शास्त्रज्ञांना तो वाचण्यास खुला आहे. ‘हा शोधनिबंध प्रकाशित करीत असताना आम्हाला अतिशय अभिमान वाटत आहे,’ अशी प्रतिक्रिया ‘बायोचार’च्या संपादक मंडळाने व्यक्त केली आहे.

संशोधकांच्या सातत्यपूर्ण प्रयत्नांचे फलित: कुलगुरू डॉ. शिर्के

शिवाजी विद्यापीठाचे भौगोलिक स्थान कोठेही असले तरी संशोधनाच्या क्षेत्रात ते जागतिक स्तरावर सातत्याने मान्यताप्राप्तच राहिलेले आहे. जागतिक आघाडीच्या २ टक्के संशोधकांमध्ये समावेश असलेल्या प्रा. ज्योती जाधव यांच्या मार्गदर्शनाखाली शुभम सुतार यांनी मांडलेला नवा सिद्धांत आणि समीकरण हे या संशोधकांनी चालविलेल्या सातत्यपूर्ण संशोधनाचे फलित आहे. एखादा सिद्धांत किंवा समीकरण मांडणे आणि त्याचे जागतिक विज्ञान क्षेत्राकडून स्वागत होणे, या अत्यंत दुर्मिळ घटना असतात. त्यामध्ये या संशोधकांनी आता स्थान मिळविले आहे, याचा विद्यापीठ परिवाराला सार्थ अभिमान आहे. ही बाब विद्यापीठातील सर्वच संशोधक, विद्यार्थी यांच्यासाठी प्रेरणादायी आहे.

(संशोधकांनी तसेच जिज्ञासूंनी संबंधित शोधनिबंध वाचण्यासाठी पुढील लिंकचा वापर करावा...

https://link.springer.com/article/10.1007/s42773-024-00406-2 )

The English Terminologies alongwith the Theory of Pore Conflation and Shubhjyot's Equation, involved in the news are explained as below:

Biochar:

Biochar is a carbon-rich material produced by thermally decomposing organic matter in an oxygen-limited environment. It is primarily composed of carbon, with traces of hydrogen, oxygen, nitrogen, and Sulfur, as well as ash content. Biochar's structure is characterized by a highly porous network, large surface area, and diverse functional groups, which contribute to its unique properties. The synthesis of biochar typically involves pyrolysis, a process where biomass is heated in a limited oxygen environment. Using a furnace, the feedstock is first dried and then heated to temperatures ranging from 300°C to 700°C. Common feedstocks include agricultural residues (e.g., wheat straw, corn stover), wood chips, and even animal manure. The pyrolysis process can be categorized as slow or fast, depending on the heating rate and residence time. Slow pyrolysis, with longer residence times and lower temperatures, generally yields more biochar, while fast pyrolysis favours bio-oil production.

During pyrolysis, the biomass undergoes several transformations. First, moisture and volatile compounds are released. As the temperature increases, the biomass components (cellulose, hemicellulose, and lignin) begin to break down, forming aromatic structures. The pyrolysis temperature and feedstock type heavily influence the final biochar properties, such as surface area, pore size distribution, and functional groups. Biochar has gained significant attention for its application in wastewater treatment due to its high adsorption capacity and potential for contaminant removal. The primary mechanisms by which biochar treats wastewater include adsorption. Its large surface area and diverse functional groups allow it to effectively remove both organic and inorganic pollutants, including heavy metals, pharmaceuticals, and nutrients like nitrogen and phosphorus. The benefits of using biochar in wastewater treatment include its cost-effectiveness, as it can be produced from waste materials, and its potential for regeneration and reuse.

Theory of Pore Conflation:

The Theory of Pore Conflation, authored by Shubham Sutar and Prof. Jyoti Jadhav, offers a novel explanation for the enhanced adsorption capacity of biochar at higher temperatures. This theory suggests that as temperature increases, the thin walls separating adjacent pores in the biochar structure begin to break down and merge, resulting in larger pore volumes and increased exposure of functional groups on the surface.

The process of pore conflation is thought to occur in several stages. Initially, at room temperature, the biochar structure consists of numerous small pores with thin walls separating them. As the temperature rises, these walls begin to weaken and eventually rupture, allowing neighbouring pores to merge. This merging of pores creates larger cavities within the biochar, which are referred to as "pore nodules." These nodules significantly increase the available surface area for adsorption and expose more functional groups that can interact with the adsorbate molecules. The formation of these larger pore nodules has several important implications for the adsorption process. Firstly, it allows for greater accessibility of adsorbate molecules to the interior of the biochar structure. The enlarged pores facilitate easier diffusion of dye molecules, such as Brilliant Green (BG), into the deeper regions of the biochar in this study. This increased accessibility leads to more efficient utilization of the adsorbent's internal surface area. Secondly, the pore conflation process exposes a larger number of functional groups on the biochar surface. These functional groups, such as hydroxyl, carboxyl, and phenolic groups, play a crucial role in the adsorption mechanism by providing binding sites for the adsorbate molecules. The increased exposure of these groups enhances the overall adsorption capacity of the biochar.

Furthermore, the formation of larger pore nodules reduces the likelihood of pore blockage, a common issue in adsorption processes. Smaller pores are more susceptible to becoming clogged by adsorbate molecules, limiting further adsorption. The larger, conflated pores are less prone to this problem, allowing for more efficient and continuous adsorption. The Theory of Pore Conflation is supported by experimental evidence in this study, particularly through SEM and FTIR analyses. SEM images revealed the presence of enlarged pores, surface cracks, and distorted structures in the biochar heated to 80°C, consistent with the proposed mechanism. FTIR analysis showed changes in the functional groups present on the biochar surface after heating, further supporting the theory.

The implications of this theory for future research and applications are significant. Understanding the mechanism of pore conflation could lead to the development of more efficient biochar adsorbents by optimizing production temperatures and conditions. It may also inspire new thermal treatment methods for enhancing the adsorption properties of existing biochar materials. Moreover, this theory could have broader implications beyond biochar adsorption. It may apply to other porous materials used in various applications, such as catalysis, energy storage, and gas separation. The concept of controlled pore conflation could be explored as a method to tailor the pore structure of materials for specific applications. In conclusion, the Theory of Pore Conflation provides a valuable new perspective on the temperature-dependent behaviour of biochar adsorbents. It offers a mechanistic explanation for enhanced adsorption at higher temperatures and opens up new avenues for research in material science and environmental remediation technologies.

Shubhjyot’s Equation:

Shubhjyot's equation is a novel mathematical model that describes time-dependent adsorption processes. It represents an interesting development in the field of adsorption kinetics. Shubhjyot's equation has been developed by researchers Shubham Sutar and Prof. Jyoti Jadhav as part of a study on the adsorption of Brilliant Green dye using biochar derived from Jamun leaves. The equation was introduced to address limitations in existing models for calculating adsorption capacity over time.

Traditionally, adsorption capacity has been calculated using equations that do not explicitly account for time dependence:

q_e = (C_o - C_e) V / W

q_t = (C_o - C_t) V / W

Where q_e is the equilibrium adsorption capacity, q_t is the adsorption capacity at time t, C_o is the initial concentration, C_e is the equilibrium concentration, C_t is the concentration at time t, V is the volume of solution, and W is the mass of adsorbent.

Recognizing the importance of time in adsorption processes, Sutar and Jadhav proposed Shubhjyot's equation to model the transient adsorption capacity (qr) as a function of time:

q_r = (C_o - C_t) V / (W t)

This can be rearranged to:

1/q_r = t / q_t

The pseudo-first-order and pseudo-second-order kinetic models have been widely used to describe adsorption processes, providing valuable insights into adsorption mechanisms, equilibrium capacities, and overall reaction rates. However, these models have limitations in capturing the time-dependent nature of adsorption and the underlying mechanisms that contribute to the process.

Shubhjyot's model addresses these limitations by introducing a time-dependent approach to adsorption kinetics. This model provides a more nuanced understanding of the adsorption process, accounting for the changing rate of adsorption over time. Unlike traditional models that suggest a continuous increase in adsorption capacity with time, Shubhjyot's model accurately reflects the practical reality of adsorption processes, where the rate of adsorption decreases as time

Using Shubhjyot’s equation, we will have a better understanding of the following objectives.

1.      It allows us to account for the fact that the adsorption capacity of an adsorbent is not constant over time. As time progresses, the surface of the adsorbent becomes more saturated with the adsorbate, and the adsorption capacity decreases.

2.      It can help us to determine the saturation time of a particular adsorbent at a particular concentration of dye and adsorbent, volume of solution, and time.

3.      It can help us to predict the equilibrium adsorption capacity of a material, i.e. the maximum amount of adsorbate that can be adsorbed onto the adsorbent.

4.      It can help us to optimize the adsorption process by determining the optimum time for the adsorption to take place.

Its emphasis on time-dependent behaviour and connection to established adsorption models make it a potentially valuable tool for researchers and engineers working on adsorption-related technologies. As with any new scientific concept, its full impact and applicability will be determined through further research and practical application in the coming years.