অ্যানায়ন বিনিময় ঝিল্লি তড়িৎ-বিশ্লেষণ

অ্যানায়ন বিনিময় ঝিল্লি (এইএম) তড়িৎ-বিশ্লেষণ হলো পানির এমন এক ধরনের তড়িৎ-বিশ্লেষণ, যেখানে একটি অর্ধভেদ্য পর্দা ব্যবহার করা হয় যা হাইড্রোক্সাইড আয়ন (OH−) পরিবহন করতে পারে। এই পর্দাকেই মূলত অ্যানায়ন বিনিময় ঝিল্লি বলা হয়। এটি অনেকটা প্রোটন-এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (পিইএম) এর মতো কাজ করে; অর্থাৎ এটি উৎপাদিত বস্তুগুলোকে আলাদা রাখে, ইলেকট্রোডগুলোর মধ্যে বৈদ্যুতিক নিরোধক হিসেবে কাজ করে এবং আয়ন পরিবহন করে। তবে পিইএম এর সাথে এর পার্থক্য হলো, এইএম হাইড্রোক্সাইড আয়ন পরিবহন করে। এইএম তড়িৎ-বিশ্লেষণ এখনও প্রাথমিক গবেষণা ও উন্নয়ন পর্যায়ে রয়েছে। অন্যদিকে ক্ষারীয় পানি তড়িৎ-বিশ্লেষণ একটি পরিপক্ক প্রযুক্তি এবং পিইএম তড়িৎ-বিশ্লেষণ বর্তমানে বাণিজ্যিক পর্যায়ে রয়েছে। পটাশিয়াম হাইড্রোক্সাইড (কেওএইচ) দ্রবণের ব্যবহারের তুলনায় বিশুদ্ধ পানি-চালিত এইএম ইলেকট্রোলাইজার সম্পর্কে গবেষণাপত্র বা একাডেমিক সাহিত্য বেশ কম।
এইএম পানি তড়িৎ-বিশ্লেষণের একটি বড় সুবিধা হলো এতে উচ্চমূল্যের দামি ধাতু অনুঘটকের প্রয়োজন হয় না; তার বদলে স্বল্পমূল্যের অবস্থান্তর ধাতু অনুঘটক হিসেবে ব্যবহার করা যায়। এইএম তড়িৎ-বিশ্লেষণ প্রক্রিয়াটি ক্ষারীয় পানি তড়িৎ-বিশ্লেষণের অনুরূপ, তবে ক্ষারীয় পদ্ধতিতে অ্যানায়ন-এক্সচেঞ্জ মেমব্রেনের পরিবর্তে একটি নন-আয়ন-সিলেক্টিভ সেপারেটর বা আয়ন-অনির্বাচনী বিভাজক ব্যবহার করা হয়।

বিজ্ঞান
বিক্রিয়াসমূহ
অক্সিজেন বিবর্তন বিক্রিয়া (ওইআর) অত্যন্ত জটিল প্রক্রিয়ার মাধ্যমে ঘটে এবং এতে উচ্চ শক্তির প্রয়োজন হয়, যার ফলে একটি উচ্চ অতিরিক্ত বিভব বা ওভারপটেনশিয়ালের সৃষ্টি হয়। এইএম ইলেকট্রোলাইজারের সক্ষমতা অনেকাংশেই ওইআর এর ওপর নির্ভর করে। সঠিক অনুঘটক ব্যবহারের মাধ্যমে এই ওভারপটেনশিয়াল কমানো সম্ভব। গবেষণা অনুসারে, নিকেল-লোহা (Ni-Fe) ভিত্তিক অনুঘটকগুলো এইএম ইলেকট্রোলাইজারে অক্সিজেন বিবর্তনের জন্য সবচেয়ে সম্ভাবনাময়।
ক্ষারীয় দ্রবণে হাইড্রোজেন বিবর্তন বিক্রিয়া (এইচইআর) এর গতিবিদ্যা সাধারণত দ্রুততর হয়।

অ্যানোড বিক্রিয়া








এখানে তারকা (*) চিহ্ন দ্বারা অনুঘটকের পৃষ্ঠতলে শোষিত বা অধিশোষিত প্রজাতি বোঝানো হয়েছে।

ক্যাথোড বিক্রিয়া
এই বিক্রিয়াটি পানি অধিশোষণ এবং বিভাজনের মাধ্যমে 'ভলমার ধাপ'  দিয়ে শুরু হয় এবং এরপর 'টাফেল ধাপ'অথবা 'হেইরোভস্কি ধাপের' মাধ্যমে হাইড্রোজেনের বিমুক্তি ঘটে।
 ভলমার ধাপ:  

 টাফেল ধাপ:  

হেইরোভস্কি ধাপ:  

 অনুঘটকসমূহ 

অক্সিজেন বিবর্তন বিক্রিয়া (ওইআর) এবং হাইড্রোজেন বিবর্তন বিক্রিয়া (এইচইআর) উভয়ই ধীর গতিসম্পন্ন হওয়ায় এগুলোতে উচ্চ সক্রিয় অনুঘটকের প্রয়োজন হয়। সাধারণত অ্যানোডিক ওইআর এর জন্য ইরিডিয়াম অক্সাইড (IrOx) এবং ক্যাথোডিক এইচইআর এর জন্য কার্বনের ওপর স্থাপিত প্লাটিনাম (Pt/C) এর সংমিশ্রণ ব্যবহার করে সবচেয়ে ভালো ফলাফল পাওয়া যায়।

তবে এইএম ইলেকট্রোলাইজারের ক্ষারীয় পরিবেশ অ-প্লাটিনাম ধাতব (non-PGM) অনুঘটক ব্যবহারের সুযোগ করে দেয়। যেমন ওইআর এর জন্য নিকেল (Ni), কোবাল্ট (Co), লোহা (Fe) ও তামা (Cu) এর অবস্থান্তর ধাতু অক্সাইড এবং এইচইআর (এর জন্য নিকেল বা মলিবডেনাম ভিত্তিক উপকরণ ব্যবহার করা যায়। যদিও এই বিকল্পগুলো অর্থনৈতিকভাবে সাশ্রয়ী, তবে এগুলোর স্বাভাবিক সক্রিয়তা কিছুটা কম থাকে। তাই ভালো সক্ষমতা ও দক্ষতা অর্জনের জন্য উচ্চ ক্ষারীয় ইলেকট্রোলাইট এবং ইলেকট্রোড কাঠামোর আধুনিকায়ন অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।

খরচ এবং পরিবেশগত প্রভাব কমাতে বর্তমানে গবেষণায় নিকেল (Ni) বা নিকেল-লোহা (NiFe) অনুঘটকের ওপর বেশি জোর দেওয়া হচ্ছে। অনুঘটকটি সাধারণত স্প্রে-কোটিং পদ্ধতিতে ক্যাথোডে প্রয়োগ করা হয়।

অ্যানোডের ক্ষেত্রে স্প্রে-কোটিং উপযুক্ত নয় কারণ এর পৃষ্ঠতল অত্যন্ত ছিদ্রযুক্ত ও অমসৃণ হয়। তাই অ্যানোডের জন্য ইমারশন বা নিমজ্জন, ইমপ্রেগনেশন বা গর্ভাধান এবং ইলেকট্রোডিপোজিশন বা তড়িৎ-প্রলেপন পদ্ধতি বেশি ব্যবহৃত হয়।

পিইএম ইলেকট্রোলাইজারের মতো এখানে ইরিডিয়াম অক্সাইড (IrOx) ব্যবহার করা বাধ্যতামূলক নয়; কারণ ক্ষারীয় পরিবেশে নিকেল অক্সাইড (NiOx) বা নিকেল-লোহার (NiFe) মতো সাশ্রয়ী উপকরণ দিয়েও ভালো বিক্রিয়া সম্পন্ন করা সম্ভব। বিক্রিয়ার সময় উৎপন্ন অক্সিজেন বুদবুদগুলো অপসারণ করা জরুরি, নতুবা সেগুলো বিক্রিয়ার কার্যকারিতায় বাধা সৃষ্টি করতে পারে। পটাশিয়াম হাইড্রোক্সাইড (কেওএইচ) ব্যবহার করলে মেমব্রেনের আয়নিক পরিবাহিতা বৃদ্ধির পাশাপাশি বুদবুদ অপসারণও সহজ হয়।

অ্যানায়ন বিনিময় ঝিল্লি
প্রাকৃতিকভাবেই হাইড্রোক্সাইড আয়নের গতিশীলতা H+ আয়নের তুলনায় কম। আয়ন বিনিময়ের ক্ষমতা বাড়ালে এই কম গতিশীলতা পূরণ করা যায়, তবে এটি পর্দার স্ফীতি বাড়াতে পারে এবং যান্ত্রিক স্থায়িত্ব কমাতে পারে। পর্দার যান্ত্রিক অস্থিতিশীলতা রোধে ক্রস-লিংকিং পদ্ধতি ব্যবহার করা হয়। এইএম এ সাধারণত কোয়াটারনারি অ্যামোনিয়াম (QA) হেডগ্রুপ ব্যবহার করা হয় যা কেবল অ্যানায়ন পরিবহন করতে দেয়। তবে ক্ষারীয় পরিবেশে এগুলো দ্রুত নষ্ট হয়ে যাওয়ার সম্ভাবনা থাকে। উচ্চ তাপমাত্রা এবং উচ্চ পিএইচ (pH) এ এগুলো হফম্যান ডিগ্রেডেশন বা এসএন২ (SN2) বিক্রিয়ার মাধ্যমে ক্ষয়প্রাপ্ত হয়।

সবচেয়ে ভালো কাজ করে এমন কয়েকটি এইএম হলো এইচটিএমএ-ডিএপিপি, কিউপিসি-টিএমএ, এম-পিবিআই এবং পিএফটিপি।

মেমব্রেন ইলেকট্রোড অ্যাসেম্বলি
একটি মেমব্রেন ইলেকট্রোড অ্যাসেম্বলি (এমইএ) মূলত একটি অ্যানোড ও একটি ক্যাথোড অনুঘটক স্তর এবং মাঝখানে একটি মেমব্রেন বা পর্দা নিয়ে গঠিত। পিইএম এর ক্ষেত্রে টাইটানিয়াম ব্যবহার করা হলেও এইএম এর জন্য সাবস্ট্রেট হিসেবে সাধারণত নিকেল ব্যবহার করা হয়। কার্বন উপকরণগুলো অ্যানোডের জন্য উপযুক্ত নয় কারণ হাইড্রোক্সাইড আয়ন দ্বারা এগুলো ক্ষয়প্রাপ্ত হতে পারে। ক্যাথোডের ক্ষেত্রে নিকেল, টাইটানিয়াম বা কার্বন যে কোনোটি ব্যবহার করা যেতে পারে।

সুবিধা ও চ্যালেঞ্জসমূহ
সুবিধা
এইএম হলো এমন একটি পানি তড়িৎ-বিশ্লেষণ পদ্ধতি যা ক্ষারীয় পানি তড়িৎ-বিশ্লেষণের সাশ্রয়ী অনুঘটক এবং পিইএম তড়িৎ-বিশ্লেষণের উচ্চ তড়িৎ ঘনত্বের সুবিধাকে একত্রিত করে। পিইএম তড়িৎ-বিশ্লেষণে প্লাটিনাম, ইরিডিয়াম এবং রুথেনিয়ামের মতো দামি ধাতু প্রয়োজন হয়। উদাহরণস্বরূপ, একটি ১০০ মেগাওয়াট পিইএম ইলেকট্রোলাইজারে ১৫০ কেজি ইরিডিয়াম প্রয়োজন হতে পারে যার আনুমানিক মূল্য প্রায় ৭০ লক্ষ মার্কিন ডলার। কিন্তু এইএম পদ্ধতিতে নিকেল, লোহা, কোবাল্ট ও তামার মতো সুলভ ধাতু ব্যবহার করা যায়।

এইএম ইলেকট্রোলাইজার বিশুদ্ধ পানি বা সামান্য ক্ষারীয় দ্রবণে চলতে পারে, যা ছিদ্র বা লিকেজের ঝুঁকি কমায়। এতে জিরো-গ্যাপ নকশা ব্যবহার করা হয় যা গ্যাস ক্রস-ওভার বা গ্যাস মিশে যাওয়ার সম্ভাবনা কমিয়ে দেয়। পিইএম এ ব্যবহৃত নেফিয়ন মেমব্রেন তৈরিতে অত্যন্ত বিষাক্ত রাসায়নিক প্রয়োজন হয় যা পরিবেশের জন্য ক্ষতিকর ও ব্যয়বহুল, কিন্তু এইএম পদ্ধতিতে ফ্লোরিন-মুক্ত সাশ্রয়ী পলিমার ব্যবহার করা সম্ভব।

চ্যালেঞ্জ
ভোক্তা পর্যায়ে এইএম ইলেকট্রোলাইজার ব্যবহারের প্রধান কারিগরি চ্যালেঞ্জ হলো এর স্বল্প আয়ুষ্কাল। পিইএম ইলেকট্রোলাইজারের আয়ুষ্কাল ২০,০০০ থেকে ৮০,০০০ ঘণ্টা পর্যন্ত হয়, সেখানে এইএম এর স্থায়িত্ব এখনও তুলনামূলক কম। বিশেষ করে ৬০ ডিগ্রি সেলসিয়াসের বেশি তাপমাত্রায় অনেক এইএম নষ্ট হয়ে যায়। তাই উচ্চ তাপমাত্রা ও উচ্চ পিএইচ সহ্য করতে পারে এমন পর্দার উদ্ভাবন প্রয়োজন। এছাড়া অক্সিজেন গ্যাস মেমব্রেন ভেদ করে হাইড্রোজেন প্রকোষ্ঠে চলে আসার (গ্যাস ক্রস-ওভার) সমস্যাটিও একটি বড় চ্যালেঞ্জ, কারণ এটি কার্যকারিতা কমানোর পাশাপাশি নিরাপত্তার ঝুঁকি তৈরি করতে পারে।

আরও দেখুন

তড়িৎ-রসায়ন
তড়িৎ-রাসায়নিক প্রকৌশল
তড়িৎ-বিশ্লেষণ
হাইড্রোজেন উৎপাদন
আলোক-অনুঘটন পানি বিভাজন
হাইড্রোজেন প্রযুক্তির কালানুক্রম
পানির তড়িৎ-বিশ্লেষণ
পিইএম ফুয়েল সেল
প্রোটন-এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন
হাইড্রোজেন অর্থনীতি
উচ্চ-চাপ তড়িৎ-বিশ্লেষণ

তথ্যসূত্র

আরও পড়ুন





বিষয়শ্রেণী:তড়িৎ-বিশ্লেষণ
বিষয়শ্রেণী:হাইড্রোজেন অর্থনীতি
বিষয়শ্রেণী:হাইড্রোজেন উৎপাদন
বিষয়শ্রেণী:তড়িৎ-বিশ্লেষক কোষ