जालना जिल्हा मधील MIDC येथील कार्बन विलगिकीकरण संशोधन - दिपक लिंबाजी राठोड M.tech Structure Engineer P.hd ( Pursuing ) यांचा एक अभिनव संशोधन कार्य ( Work In Progress )

 

जालना जिल्हा मधील MIDC येथील कार्बन विलगिकीकरण संशोधन - दिपक लिंबाजी राठोड
M.tech Structure Engineer
P.hd ( Pursuing ) यांचा एक अभिनव संशोधन कार्य ( Work In Progress )
( Note - वरील अभिनव प्रकल्प करिता तज्ञ इलेक्ट्रिकल इंजिनियर यांनी सहभाग देऊन प्रकल्प प्रगती पथावर नेण्यास सहभाग नोंदवावा ही नम्र विनंती )
*प्रकल्प शीर्षक - “ESP32 चा वापर करून ऊर्जा-कार्यक्षम कार्बन व्यवस्थापनासाठी IoT-आधारित स्मार्ट इलेक्ट्रोकेमिकल CO₂ कॅप्चर आणि विभाजन प्रणाली”*

*1. सारांश (Abstract)*
औद्योगिक, व्यावसायिक आणि इंधन ज्वलन प्रक्रियांमधून होणारे कार्बन डायऑक्साइड (CO₂) उत्सर्जन हे हवामान बदलाचे एक प्रमुख कारण आहे. पारंपरिक CO₂ कॅप्चर तंत्रज्ञानांमध्ये रासायनिक शोषण (Chemical Absorption), Adsorption, Membrane Separation आणि Cryogenic Separation यांचा समावेश होतो. मात्र, यापैकी काही प्रक्रियांमध्ये मोठ्या प्रमाणात उष्णता किंवा विद्युत ऊर्जेची आवश्यकता असते तसेच Solvent Regeneration, Corrosion आणि प्रक्रिया गुंतागुंत यांसारख्या समस्या उद्भवू शकतात.
इलेक्ट्रोकेमिकल CO₂ कॅप्चर (Electrochemical CO₂ Capture) हे तुलनेने नवीन आणि आशादायक तंत्रज्ञान आहे. या पद्धतीमध्ये विद्युत ऊर्जेच्या साहाय्याने CO₂ शोषण आणि त्याचे पुनर्विलगीकरण (Regeneration) नियंत्रित केले जाऊ शकते. pH-Swing, Redox-Swing, Bipolar-Membrane Electrodialysis आणि Capacitive पद्धती या इलेक्ट्रोकेमिकल CO₂ कॅप्चरच्या महत्त्वाच्या पद्धती आहेत.
या संशोधनामध्ये ESP32 मायक्रोकंट्रोलरवर आधारित IoT-सक्षम स्मार्ट इलेक्ट्रोकेमिकल CO₂ कॅप्चर आणि विभाजन प्रणाली प्रस्तावित केली आहे. या प्रणालीमध्ये CO₂ concentration, तापमान, विद्युतदाब (Voltage), विद्युतप्रवाह (Current) आणि Gas Flow Rate मोजण्यासाठी सेन्सर्स वापरले जातील. ESP32 या सर्व सेन्सर्सकडून डेटा संकलित करून Wi-Fi द्वारे Cloud/IoT Dashboard वर पाठवेल.
या प्रणालीद्वारे CO₂ कॅप्चर कार्यक्षमता, CO₂ विभाजन कार्यक्षमता, विद्युत ऊर्जेचा वापर आणि प्रति किलो CO₂ साठी लागणारी विशिष्ट ऊर्जा (Specific Energy Consumption) निश्चित करता येईल. तसेच Applied Voltage, Gas Flow Rate, Temperature आणि Operating Time यांचा CO₂ कॅप्चर कार्यक्षमतेवर होणारा परिणाम अभ्यासला जाईल.
ही प्रणाली कमी खर्चातील, रिअल-टाइम मॉनिटरिंग करणारी आणि भविष्यात AI/ML आधारित स्वयंचलित नियंत्रणासाठी उपयुक्त अशी संशोधन प्रणाली ठरू शकते.
कीवर्ड्स
CO₂ कॅप्चर, इलेक्ट्रोकेमिकल विभाजन, IoT, ESP32, कार्बन व्यवस्थापन, ऊर्जा कार्यक्षमता, CO₂ सेन्सर, स्मार्ट मॉनिटरिंग, pH-Swing, शाश्वत तंत्रज्ञान.

2. प्रस्तावना (Introduction)*
वातावरणातील CO₂ चे प्रमाण सातत्याने वाढत असल्यामुळे कार्बन उत्सर्जन कमी करण्यासाठी प्रभावी तंत्रज्ञान विकसित करणे अत्यंत आवश्यक झाले आहे. औद्योगिक क्षेत्र, वीजनिर्मिती प्रकल्प, सिमेंट उद्योग, स्टील उद्योग आणि इंधन ज्वलन प्रक्रियांमधून मोठ्या प्रमाणावर CO₂ उत्सर्जित होते.
Carbon Capture, Utilization and Storage (CCUS) हे कार्बन उत्सर्जन कमी करण्यासाठी महत्त्वाचे तंत्रज्ञान आहे.
सध्या वापरात असलेल्या CO₂ कॅप्चर पद्धतींमध्ये:
Chemical Absorption
Adsorption
Membrane Separation
Cryogenic Separation
यांचा समावेश होतो.
मात्र, पारंपरिक तंत्रज्ञानांमध्ये जास्त ऊर्जा वापर, Solvent Regeneration, Corrosion, Solvent Degradation आणि मोठ्या उपकरणांची आवश्यकता यांसारख्या समस्या असू शकतात.
त्यामुळे Electrochemical CO₂ Capture हे एक नवीन पर्याय म्हणून विकसित होत आहे.
या पद्धतीमध्ये विद्युत ऊर्जेचा वापर करून CO₂ शोषण करणाऱ्या माध्यमाची रासायनिक अवस्था बदलली जाते. उदाहरणार्थ, pH-Swing पद्धतीमध्ये alkaline स्थितीत CO₂ कॅप्चर केले जाते आणि acidic स्थितीत CO₂ पुन्हा सोडले जाते.
परंतु अशा प्रयोगांमध्ये CO₂ concentration, voltage, current, temperature आणि gas flow यांचे सतत निरीक्षण करणे आवश्यक असते.
यासाठी Internet of Things (IoT) तंत्रज्ञान उपयुक्त ठरते.
ESP32 हा कमी खर्चाचा मायक्रोकंट्रोलर असून त्यामध्ये Wi-Fi सुविधा उपलब्ध आहे. त्यामुळे सेन्सर्समधून मिळणारा डेटा रिअल-टाइममध्ये संकलित करून Cloud किंवा Dashboard वर पाठवता येतो.
त्यामुळे:
Electrochemical CO₂ Capture + Sensors + ESP32 + IoT + Data Analysis
यांचे एकत्रीकरण करून स्मार्ट कार्बन व्यवस्थापन प्रणाली विकसित करता येऊ शकते.

3. संशोधनातील उणीव (Research Gap)*
 Electrochemical CO₂ Capture संशोधनामध्ये प्रामुख्याने खालील बाबींवर संशोधन केले जात आहे:
Electrode Materials
Electrolytes
Membranes
Redox-active Materials
pH-Swing
Current Density
CO₂ Capture Capacity
Energy Consumption
मात्र, या प्रणालींसोबत कमी खर्चातील IoT-based real-time monitoring system जोडण्यास मोठी संशोधन संधी आहे.
विशेषतः खालील सर्व बाबी एकाच प्रणालीमध्ये समाविष्ट करण्याची गरज आहे:
CO₂ Capture + Real-Time Monitoring + Energy Measurement + IoT + Automatic Control
याच संशोधन उणीवेवर आधारित सदर प्रकल्प प्रस्तावित करण्यात आला आहे.

4. समस्या विधान (Problem Statement)*
लहान आणि प्रयोगशाळा स्तरावरील CO₂ कॅप्चर प्रयोगांमध्ये Voltage, Current, Temperature, CO₂ concentration आणि Gas Flow यांचे मोजमाप अनेकदा मॅन्युअली केले जाते.
यामुळे:
सतत निरीक्षण करणे कठीण होते.
डेटा गमावला जाऊ शकतो.
Energy consumption चे अचूक विश्लेषण कठीण होते.
Automatic control करणे अवघड होते.
मोठ्या प्रमाणातील प्रयोगात्मक डेटा व्यवस्थापित करणे कठीण होते.
म्हणून संशोधनाची समस्या पुढीलप्रमाणे मांडता येईल:
“ESP32 च्या साहाय्याने रिअल-टाइम मॉनिटरिंग करणारी, कमी खर्चातील IoT-आधारित इलेक्ट्रोकेमिकल CO₂ कॅप्चर आणि विभाजन प्रणाली विकसित करून तिच्या कॅप्चर कार्यक्षमता व ऊर्जा वापराचे प्रायोगिक मूल्यमापन करणे.”

5. संशोधनाची उद्दिष्टे*
*या संशोधनाची प्रमुख उद्दिष्टे:*
प्रयोगशाळा स्तरावरील Electrochemical CO₂ Capture System विकसित करणे.
CO₂, Temperature, Voltage आणि Current Sensors प्रणालीमध्ये जोडणे.
ESP32 आधारित Data Acquisition System विकसित करणे.
CO₂ concentration चे रिअल-टाइम मॉनिटरिंग करणे.
CO₂ Capture Efficiency निश्चित करणे.
विद्युत ऊर्जेचा वापर निश्चित करणे.
प्रति किलो CO₂ साठी लागणारी विशिष्ट ऊर्जा निश्चित करणे.
Voltage, Current, Temperature आणि Gas Flow Rate चा CO₂ capture वर परिणाम अभ्यासणे.
IoT-based Monitoring Dashboard विकसित करणे.
भविष्यात AI/ML आधारित Automatic Optimization साठी प्रणाली विकसित करणे.

6. प्रस्तावित प्रणालीची रचना (System Architecture)

प्रस्तावित प्रणालीमध्ये खालील घटक असतील:
CO₂ Source
↓
Gas Flow / Regulation Unit
↓
Electrochemical Capture Cell
↓
CO₂ Separation / Regeneration Unit
↓
CO₂ Sensor
↓
ESP32 Controller
↓
Wi-Fi
↓
Cloud / IoT Dashboard
ESP32 कडून खालील parameters चे निरीक्षण केले जाईल:
CO₂ concentration
Temperature
Voltage
Current
Gas Flow Rate
Operating Time

7. इलेक्ट्रोकेमिकल CO₂ कॅप्चरचे तत्त्व*
या पद्धतीचे मूलभूत तत्त्व म्हणजे विद्युत ऊर्जेच्या साहाय्याने CO₂ कॅप्चर करणाऱ्या माध्यमाची रासायनिक अवस्था बदलणे.
उदाहरणार्थ, alkaline capture system मध्ये:
पुढील अभिक्रियेमध्ये:
अशा प्रकारे CO₂ हे bicarbonate किंवा carbonate स्वरूपात capture केले जाऊ शकते.
Regeneration प्रक्रियेमध्ये capture medium ची रासायनिक स्थिती बदलल्यास पुन्हा CO₂ मुक्त होऊ शकतो.
इलेक्ट्रोकेमिकल CO₂ कॅप्चरमध्ये:
pH-Swing
Redox-Swing
Bipolar Membrane Electrodialysis
Capacitive Capture
यांसारख्या पद्धतींचा वापर केला जातो.

8. ESP32 आधारित IoT प्रणाली
ESP32 हा या प्रणालीचा मुख्य Data Acquisition आणि Communication Controller असेल.
Sensor Inputs
CO₂ Sensor → ESP32
Temperature Sensor → ESP32
Voltage Sensor → ESP32
Current Sensor → ESP32
Flow Sensor → ESP32
ESP32 प्राप्त डेटा Process करून Wi-Fi द्वारे IoT Dashboard वर पाठवेल.

9. प्रयोगाची कार्यपद्धती (Experimental Methodology)
Step 1 – प्रणालीची तयारी
Electrochemical cell तयार करून त्यामध्ये निवडलेले electrodes, electrolyte/capture medium आणि आवश्यक असल्यास membrane बसवावी.
Step 2 – Sensors बसवणे
CO₂ sensor हा gas chamber च्या inlet आणि outlet वर बसवावा.
Temperature, Voltage, Current आणि Flow Sensors ESP32 शी जोडावेत.
Step 3 – ESP32 Programming
ESP32 ला खालील कार्यांसाठी program करावे:
Sensor data वाचणे
Voltage व Current मोजणे
Operating time मोजणे
Data store करणे
Wi-Fi द्वारे data transmit करणे
Abnormal condition असल्यास alert देणे
Step 4 – CO₂ Gas पुरवठा
नियंत्रित प्रमाणात CO₂ असलेला gas stream experimental chamber मध्ये सोडावा.
Step 5 – Electrochemical Operation
Electrochemical cell ला निर्धारित Voltage किंवा Current द्यावा.
Step 6 – Real-Time Monitoring
Inlet आणि outlet CO₂ concentration सतत नोंदवावी.
Step 7 – Regeneration
Capture medium मधून CO₂ पुन्हा बाहेर काढण्याची regeneration प्रक्रिया करावी.
Step 8 – Energy Calculation
प्रयोगादरम्यान वापरलेली विद्युत ऊर्जा मोजावी.
Step 9 – Performance Evaluation
खालील बाबींची गणना करावी:
CO₂ Capture Efficiency
CO₂ Capture Rate
CO₂ Recovery
Energy Consumption
Specific Energy Consumption
Separation Efficiency.


10. प्रयोगातील Variables
Independent Variables
Applied Voltage
Current
Gas Flow Rate
Temperature
Operating Time
Initial CO₂ Concentration
Dependent Variables
CO₂ Capture Efficiency
CO₂ Removal Rate
CO₂ Recovery
Energy Consumption
Specific Energy Consumption
Controlled Variables
Electrolyte Volume
Electrode Area
Reactor Dimensions
Gas Composition
Experimental Duration.

11. अपेक्षित निष्कर्ष (Expected Results)*
प्रस्तावित प्रणालीमधून पुढील निष्कर्ष अपेक्षित आहेत:
CO₂ concentration चे सतत monitoring करता येईल.
Electrochemical process मुळे outlet CO₂ concentration मध्ये घट होऊ शकते.
ESP32 च्या साहाय्याने real-time data monitoring करता येईल.
Voltage आणि Current चे automatic logging करता येईल.
Electrical energy consumption मोजता येईल.
CO₂ capture साठी optimum operating condition शोधता येईल.
प्रयोगाची repeatability वाढवता येईल.
भविष्यात automatic control system विकसित करता येईल.

12. संशोधनातील नावीन्य (Novelty)*
या संशोधनातील नावीन्य हे फक्त ESP32 किंवा Electrochemical CO₂ Capture मध्ये नसून या दोन्ही तंत्रज्ञानांच्या एकत्रीकरणामध्ये आहे.
प्रस्तावित Novelty:
“रिअल-टाइम CO₂ concentration, electrochemical operating parameters आणि energy consumption यांचे एकाच वेळी निरीक्षण करणारे कमी खर्चाचे IoT-integrated Electrochemical CO₂ Capture Experimental Platform विकसित करणे.”
यामध्ये पुढील संपूर्ण प्रक्रिया विकसित करता येईल:
CO₂ Capture
↓
Real-Time Monitoring
↓
Data Collection
↓
Data Analysis
↓
Optimization
↓
Automatic Control.

*13. प्रणालीचे फायदे*
Real-Time CO₂ Monitoring
कमी खर्चातील Data Acquisition
Wireless Monitoring
Automatic Data Logging
Energy Consumption Monitoring
Renewable Energy सोबत integration ची शक्यता
Modular System
Laboratory Research साठी उपयुक्त
Automatic Control ची शक्यता
AI/ML Integration ची शक्यता.

14. मर्यादा (Limitations)
या संशोधनामध्ये खालील मर्यादा असू शकतात:
Laboratory-scale system
CO₂ Sensor ची accuracy
Sensor calibration ची आवश्यकता
Electrode degradation
Membrane resistance
Electrolyte degradation
Electrical losses
Gas leakage
Long-term stability
Industrial scale-up मधील अडचणी.

15. भविष्यातील व्याप्ती (Future Scope)
15.1 AI-Based CO₂ Capture
AI/ML च्या मदतीने कोणत्या Voltage, Current, Temperature आणि Flow Rate वर सर्वोत्तम CO₂ capture मिळते हे स्वयंचलितपणे शोधता येऊ शकते.
15.2 Solar-Powered CO₂ Capture
Solar PV → Charge Controller → Battery → Electrochemical Cell → CO₂ Capture
यामुळे Renewable Energy आधारित carbon capture system विकसित करता येईल.
15.3 Industrial Application
Industrial Exhaust
↓
CO₂ Capture
↓
Electrochemical Separation
↓
CO₂ Storage / Utilization
भविष्यात captured CO₂ चा उपयोग विविध CO₂ utilization प्रक्रियांमध्ये करता येऊ शकतो.

16.निष्कर्ष (Conclusion)
या संशोधनामध्ये ESP32 आधारित IoT-सक्षम Electrochemical CO₂ Capture आणि Separation System प्रस्तावित करण्यात आली आहे. या प्रणालीमध्ये Electrochemical Carbon Capture सोबत CO₂ concentration, Temperature, Voltage, Current आणि Gas Flow Rate यांचे Real-Time Monitoring करण्याची सुविधा असेल.
या संशोधनाचा मुख्य उद्देश म्हणजे कमी खर्चातील, स्मार्ट आणि रिअल-टाइम कार्बन व्यवस्थापन प्रणाली विकसित करणे.
प्रयोगाच्या माध्यमातून:
CO₂ Capture Efficiency
CO₂ Capture Rate
CO₂ Separation Efficiency
Energy Consumption
Specific Energy Consumption
हे parameters निश्चित करता येतील.
तसेच Applied Voltage, Current, Temperature आणि Gas Flow Rate यांचा CO₂ capture वर होणारा परिणाम अभ्यासता येईल.
भविष्यात या प्रणालीमध्ये Solar Energy, Cloud Computing, AI/ML, Automatic Control आणि Predictive Monitoring यांचा समावेश करून Industrial-scale Smart Carbon Management System विकसित करता येऊ शकते.

17. संदर्भ (Selected References)*
Sharifian, R. et al., “Electrochemical carbon dioxide capture to close the carbon cycle,” Energy & Environmental Science, 2021.
Massen-Hane, M., Diederichsen, K. M. & Hatton, T. A., “Engineering redox-active electrochemically mediated carbon dioxide capture systems,” Nature Chemical Engineering, 2024.
“A comprehensive review of carbon capture: From conventional to emerging electrochemical technologies,” Next Energy, 2025.
“Review of electrochemical carbon dioxide capture towards practical application,” Next Materials, 2025.
Sun et al., “Electrode, Electrolyte, and Membrane Materials for Electrochemical CO₂ Capture,” Advanced Energy Materials, 2024.
“A brief review of electrochemical carbon capture technologies and their challenges in development,” Separation and Purification Technology, 2026.
( जालना शहर मधील व MIDC परिसरातील तालुके , गाव येथील सर्व बहिणींना माझ्या कडून रक्षाबंधन निमित्त अभिनव प्रकल्प भेट 
जय योगेश्वर 
दिपक लिंबाजी राठोड
M.tech Structure Engineer