অ্যালুমিনিয়ামের (Al) ধাতুবিদ্যা এবং নিষ্কাশন

প্রাকৃতিক উপস্থিতি ও প্রধান আকরিক

অ্যালুমিনিয়াম পৃথিবীর ভূত্বকের সবচেয়ে প্রাচুর্যপূর্ণ ধাতু এবং তৃতীয় সর্বাধিক প্রাচুর্যপূর্ণ মৌল। এর উচ্চ বিক্রিয়াশীলতার কারণে এটি মুক্ত ধাতব অবস্থায় পাওয়া যায় না।

অ্যালুমিনিয়ামের প্রধান আকরিকসমূহ

1. বক্সাইট: শিল্প নিষ্কাশনের জন্য সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ আকরিক। এটি একটি জলযোজিত অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইড।
   • রাসায়নিক সংকেত: Al₂O₃·2H₂O (প্রায়শই Al₂O₃·nH₂O হিসাবে প্রকাশ করা হয়)
   • উপাদান: 50-70% Al₂O₃ এর সাথে লোহা অক্সাইড (Fe₂O₃), সিলিকা (SiO₂), এবং টাইটানিয়াম ডাই অক্সাইড (TiO₂) এর মতো অশুদ্ধি থাকে।
2. কোরান্ডাম: অনার্দ্র অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইড।
   • রাসায়নিক সংকেত: Al₂O₃
3. ক্রায়োলাইট: সোডিয়াম হেক্সাফ্লুরোঅ্যালুমিনেট। নিষ্কাশন প্রক্রিয়ায় তড়িৎবিশ্লেষ্য হিসাবে ব্যবহৃত হয়, অ্যালুমিনিয়াম ধাতুর জন্য এটি প্রাথমিক আকরিক নয়।
   • রাসায়নিক সংকেত: Na₃AlF₆
4. ফেল্ডস্পার: পটাশিয়াম অ্যালুমিনিয়াম সিলিকেট।
   • রাসায়নিক সংকেত: KAlSi₃O₈

আকরিকের ঘনীকরণ (বক্সাইট)

প্রধান আকরিক, বক্সাইট, রাসায়নিক লিচিং দ্বারা ঘন করা হয়, বিশেষত বেয়ার পদ্ধতি দ্বারা। এই পদ্ধতিটি অশুদ্ধ বক্সাইট থেকে লোহা অক্সাইড, সিলিকা এবং টাইটানিয়াম ডাই অক্সাইড-এর মতো অশুদ্ধি অপসারণ করে বিশুদ্ধ অ্যালুমিনা (Al₂O₃) পাওয়ার জন্য ব্যবহৃত হয়।

বেয়ার পদ্ধতির ধাপসমূহ

1. ডাইজেশন (কস্টিক সোডা দিয়ে লিচিং):

   • সূক্ষ্মভাবে গুঁড়ো করা বক্সাইট আকরিককে 150-200°C তাপমাত্রায় উচ্চ চাপে (8-10 atm) সোডিয়াম হাইড্রক্সাইডের (NaOH) একটি ঘনীভূত দ্রবণ (45-50%) দিয়ে উত্তপ্ত করা হয়।
   • অ্যালুমিনিয়াম অক্সাইড (উভধর্মী হওয়ায়) NaOH এর সাথে বিক্রিয়া করে দ্রবণীয় সোডিয়াম মেটা-অ্যালুমিনেট তৈরি করে, যেখানে লোহা অক্সাইড (Fe₂O₃) এর মতো প্রধান অশুদ্ধিগুলি অদ্রবণীয় থাকে। সিলিকা (SiO₂) বিক্রিয়া করে দ্রবণীয় সোডিয়াম সিলিকেট (Na₂SiO₃) তৈরি করে তবে এটি পরে অধঃক্ষিপ্ত করা যেতে পারে বা শর্তাবলী নিয়ন্ত্রণ করে পরিচালনা করা যেতে পারে।
   • বিক্রিয়া: Al₂O₃·2H₂O(s) + 2NaOH(aq) + H₂O(l) $\xrightarrow\{150-200^\circ C, \text\{high pressure\}\}$ 2NaAl(OH)₄ (সোডিয়াম মেটা-অ্যালুমিনেট)
   • অদ্রবণীয় অশুদ্ধিগুলি (রেড মাড, প্রধানত Fe₂O₃) তারপর ছেঁকে আলাদা করা হয়।

2. অ্যালুমিনিয়াম হাইড্রক্সাইডের অধঃক্ষেপণ:

   • সোডিয়াম মেটা-অ্যালুমিনেটের স্বচ্ছ দ্রবণকে জল দিয়ে লঘু করা হয় এবং প্রায় 50-60°C তাপমাত্রায় শীতল করা হয়।
   • তারপর এটিকে সদ্য প্রস্তুত অ্যালুমিনিয়াম হাইড্রক্সাইড [Al(OH)₃] স্ফটিক দিয়ে বীজ বপন করা হয়। এটি সোডিয়াম মেটা-অ্যালুমিনেটের আর্দ্রবিশ্লেষণ এবং বিশুদ্ধ অ্যালুমিনিয়াম হাইড্রক্সাইডের অধঃক্ষেপণকে উৎসাহিত করে।
   • বিক্রিয়া: NaAl(OH)₄ $\xrightarrow\{\text\{dilution, cooling, seeding\}\}$ Al(OH)₃(s) + NaOH(aq)
   • NaOH পুনরুদ্ধার করা হয় এবং প্রক্রিয়ায় পুনরায় ব্যবহার করা যেতে পারে, যা এটিকে সাশ্রয়ী করে তোলে।

3. ক্যালসিনেশন:

   • অধঃক্ষিপ্ত অ্যালুমিনিয়াম হাইড্রক্সাইডকে ছেঁকে, ধুয়ে এবং শুকানো হয়।
   • তারপর এটিকে 1000-1200°C তাপমাত্রায় প্রবলভাবে উত্তপ্ত (ক্যালসিন করা) করা হয় বিশুদ্ধ, অনার্দ্র অ্যালুমিনা পাওয়ার জন্য।
   • বিক্রিয়া: 2Al(OH)₃(s) $\xrightarrow\{1000-1200^\circ C\}$ Al₂O₃(s) + 3H₂O(g)
   • এই বিশুদ্ধ অ্যালুমিনা (Al₂O₃) তারপর তড়িৎবিশ্লেষণীয় বিজারণের জন্য ব্যবহৃত হয়।

অশুদ্ধ ধাতুতে বিজারণ (হল-হেরো울্ট পদ্ধতি)

বিশুদ্ধ অ্যালুমিনা থেকে অ্যালুমিনিয়াম ধাতু হল-হেরোউল্ট তড়িৎবিশ্লেষণীয় পদ্ধতি দ্বারা নিষ্কাশিত হয়। অ্যালুমিনার গলনাঙ্ক খুব বেশি (2072°C), তাই সরাসরি তড়িৎবিশ্লেষণ অবাস্তব। অতএব, এটি একটি গলিত তড়িৎবিশ্লেষ্যে দ্রবীভূত করা হয়।

নীতি

অ্যালুমিনা গলিত ক্রায়োলাইটে (Na₃AlF₆) দ্রবীভূত করা হয়, যা মিশ্রণের গলনাঙ্ককে উল্লেখযোগ্যভাবে প্রায় 950-1000°C এ নামিয়ে আনে এবং এর তড়িৎ পরিবাহিতা বাড়ায়। আরও গলনাঙ্ক কমাতে এবং পরিবাহিতা উন্নত করতে ফ্লুওরসপার (CaF₂) যোগ করা হয়।

তড়িৎবিশ্লেষণীয় কোষের বিন্যাস

• পাত্র: একটি বৃহৎ ইস্পাতের ট্যাঙ্ক যা কার্বন (গ্রাফাইট) দিয়ে আবৃত, যা ক্যাথোড হিসাবে কাজ করে।
• অ্যানোড: একাধিক মোটা গ্রাফাইট দণ্ড গলিত তড়িৎবিশ্লেষ্যে ঝোলানো থাকে।
• তড়িৎবিশ্লেষ্য: 2-10% বিশুদ্ধ অ্যালুমিনা (Al₂O₃), 80-90% ক্রায়োলাইট (Na₃AlF₆), এবং 5-7% ফ্লুওরসপার (CaF₂) ধারণকারী একটি গলিত মিশ্রণ। তাপমাত্রা প্রায় 950-1000°C এর আশেপাশে বজায় রাখা হয়।
• উৎপাদন: গলিত অ্যালুমিনিয়াম, তড়িৎবিশ্লেষ্যের চেয়ে ঘন হওয়ায়, কোষের নীচে জমা হয় এবং পর্যায়ক্রমে বের করে নেওয়া হয়।

তড়িৎরাসায়নিক বিক্রিয়াসমূহ

1. তড়িৎবিশ্লেষ্যে আয়নাইজেশন: গলিত ক্রায়োলাইটে, অ্যালুমিনা আয়নে বিয়োজিত হয়।
   • Al₂O₃ $\rightleftharpoons$ 2Al³⁺ + 3O²⁻
2. ক্যাথোডে (কার্বন আস্তরণ):
   • অ্যালুমিনিয়াম আয়ন (Al³⁺) ঋণাত্মক আধানযুক্ত ক্যাথোডের দিকে যায় এবং ইলেকট্রন গ্রহণ করে গলিত অ্যালুমিনিয়াম ধাতুতে বিজারিত হয়।
   • বিক্রিয়া: Al³⁺(melt) + 3e⁻ → Al(l)
3. অ্যানোডে (গ্রাফাইট দণ্ড):
   • অক্সাইড আয়ন (O²⁻) ধনাত্মক আধানযুক্ত গ্রাফাইট অ্যানোডের দিকে যায় এবং ইলেকট্রন ত্যাগ করে অক্সিজেন গ্যাস উৎপন্ন করে।
   • বিক্রিয়া: 2O²⁻(melt) → O₂(g) + 4e⁻
   • উৎপন্ন অক্সিজেন গ্যাস তখন উত্তপ্ত গ্রাফাইট অ্যানোডের সাথে বিক্রিয়া করে সেগুলিকে কার্বন মনোক্সাইড (CO) এবং কার্বন ডাই অক্সাইড (CO₂) এ জারিত করে। এর অর্থ হল অ্যানোডগুলি ক্রমাগত ক্ষয় হয় এবং নিয়মিত প্রতিস্থাপন করতে হয়।
   • অ্যানোড ক্ষয় বিক্রিয়াসমূহ:
     • C(s) + O₂(g) → CO₂(g)
     • 2C(s) + O₂(g) → 2CO(g)

সামগ্রিক বিক্রিয়া

2Al₂O₃(melt) + 3C(s) $\xrightarrow\{\text\{electrolysis\}\}$ 4Al(l) + 3CO₂(g)

শক্তির প্রয়োজনীয়তা

হল-হেরো울্ট প্রক্রিয়া অত্যন্ত শক্তি-নিবিড়, যার জন্য প্রচুর পরিমাণে বিদ্যুতের প্রয়োজন হয়।

শোধন ও বিশুদ্ধকরণ (হুপের পদ্ধতি)

হল-হেরো울্ট প্রক্রিয়া থেকে প্রাপ্ত অ্যালুমিনিয়াম প্রায় 99.5% বিশুদ্ধ। 99.9% বা তার বেশি বিশুদ্ধ অ্যালুমিনিয়াম পেতে হুপের তড়িৎবিশ্লেষণীয় শোধন পদ্ধতি দ্বারা আরও বিশুদ্ধকরণ করা হয়।

নীতি

এই প্রক্রিয়ায় গলিত পদার্থের তিনটি স্বতন্ত্র স্তর সহ একটি তড়িৎবিশ্লেষণীয় কোষ ব্যবহার করা হয়, যা ঘনত্বের দিক থেকে ভিন্ন, এবং যা অশুদ্ধ অ্যানোড থেকে বিশুদ্ধ ক্যাথোডের দিকে বিশুদ্ধ অ্যালুমিনিয়ামকে নির্বাচিতভাবে স্থানান্তর করে।

হুপের কোষের বিন্যাস

• ক্যাথোড (শীর্ষ স্তর): বিশুদ্ধ গলিত অ্যালুমিনিয়াম উপরে জমা হয়। এই স্তরে কার্বন ইলেক্ট্রোড নিমজ্জিত থাকে, যা ক্যাথোড হিসাবে কাজ করে।
• তড়িৎবিশ্লেষ্য (মধ্যম স্তর): Al, Na, এবং Ba এর ফ্লুরাইডের একটি গলিত মিশ্রণ (যেমন, AlF₃, Na₃AlF₆, BaF₂) ব্যবহার করা হয়। এই স্তরের ঘনত্ব বিশুদ্ধ এবং অশুদ্ধ অ্যালুমিনিয়াম স্তরের মধ্যবর্তী হয়।
• অ্যানোড (নিম্ন স্তর): অশুদ্ধ গলিত অ্যালুমিনিয়াম, যা তামার সাথে মিশ্রিত (এর ঘনত্ব এবং তড়িৎ পরিবাহিতা বাড়ানোর জন্য), অ্যানোড হিসাবে কাজ করে। এই স্তরে কার্বন ইলেক্ট্রোড নিমজ্জিত থাকে।
• পাশের দেওয়াল: কোষটিতে একটি অবাধ্য আস্তরণ (যেমন, কার্বন ইট) থাকে যা উচ্চ তাপমাত্রা সহ্য করতে পারে এবং পাশ দিয়ে বিদ্যুত লিক হওয়া প্রতিরোধ করে।

তড়িৎরাসায়নিক বিক্রিয়াসমূহ

1. অ্যানোডে (নিম্ন স্তর):
   • নিম্ন স্তর থেকে অশুদ্ধ অ্যালুমিনিয়াম জারিত হয়, ইলেকট্রন ত্যাগ করে Al³⁺ আয়ন তৈরি করে যা তড়িৎবিশ্লেষ্য স্তরে স্থানান্তরিত হয়।
   • বিক্রিয়া: Al(impure, l) → Al³⁺(electrolyte) + 3e⁻
   • ভারী অশুদ্ধিগুলি (যেমন তামা, লোহা, সিলিকন) নিম্ন স্তরে থেকে যায়।
2. ক্যাথোডে (শীর্ষ স্তর):
   • তড়িৎবিশ্লেষ্য থেকে Al³⁺ আয়নগুলি উপরের স্তর (ক্যাথোড) এর দিকে যায়, ইলেকট্রন গ্রহণ করে এবং বিশুদ্ধ গলিত অ্যালুমিনিয়ামে বিজারিত হয়।
   • বিক্রিয়া: Al³⁺(electrolyte) + 3e⁻ → Al(pure, l)

ফলাফল

তড়িৎবিশ্লেষণ অগ্রসর হওয়ার সাথে সাথে, বিশুদ্ধ অ্যালুমিনিয়াম ধীরে ধীরে উপরের স্তরে জমা হয়, যখন অশুদ্ধিগুলি নীচের অ্যানোড স্তরে থেকে যায়। এটি অত্যন্ত উচ্চ বিশুদ্ধতার অ্যালুমিনিয়াম উৎপন্ন করে।