ক্যালসিয়ামের (Ca) ধাতুবিদ্যা এবং শিল্প নিষ্কাশন

প্রাকৃতিক প্রাপ্তি এবং প্রধান আকরিকসমূহ

ক্যালসিয়াম (Ca) পৃথিবীর ভূত্বকের পঞ্চম সর্বাধিক প্রাপ্ত মৌল, যা ভরের প্রায় 3.6%। একটি ক্ষারীয় মৃত্তিকা ধাতু হিসাবে এর উচ্চ বিক্রিয়াশীলতার কারণে, এটি প্রকৃতিতে কখনও তার মুক্ত, মৌলিক অবস্থায় পাওয়া যায় না। পরিবর্তে, এটি বিভিন্ন খনিজ রূপে সম্মিলিতভাবে প্রচুর পরিমাণে বিদ্যমান।

ক্যালসিয়ামের প্রধান আকরিকসমূহ:

• চুনাপাথর, মার্বেল, চক: এগুলি ক্যালসিয়াম কার্বনেটের ($\text\{CaCO\}_3$) বিভিন্ন রূপ। চুনাপাথর একটি পাললিক শিলা, মার্বেল হল চুনাপাথর থেকে গঠিত একটি রূপান্তরিত শিলা, এবং চক হল অণুবীক্ষণিক সামুদ্রিক জীবের খোলস দ্বারা গঠিত একটি নরম, ছিদ্রযুক্ত পাললিক শিলা।
• জিপসাম: আর্দ্র ক্যালসিয়াম সালফেট ($\text\{CaSO\}_4 \cdot 2\text\{H\}_2\text\{O\}$)। এটি প্লাস্টার অফ প্যারিস এবং ড্রাইওয়ালে ব্যবহৃত হয়।
• ফ্লুওস্পার (ফ্লুওরাইট): ক্যালসিয়াম ফ্লোরাইড ($\text\{CaF\}_2$)। ফ্লোরিনের একটি গুরুত্বপূর্ণ উৎস।
• অ্যাপাটাইট: ফসফেট খনিজগুলির একটি গ্রুপ, প্রধানত ক্যালসিয়াম ফ্লুরো-ফসফেট ($\text\{Ca\}_5(\text\{PO\}_4)_3\text\{F\}$) অথবা ক্যালসিয়াম ক্লোরো-ফসফেট ($\text\{Ca\}_5(\text\{PO\}_4)_3\text\{Cl\}$)। ফসফরাসের একটি প্রাথমিক উৎস।
• ডলোমাইট: ক্যালসিয়াম এবং ম্যাগনেসিয়ামের একটি দ্বৈত কার্বনেট ($\text\{CaCO\}_3 \cdot \text\{MgCO\}_3$)।

আকরিক ঘনত্বকরণ

মৌলিক ক্যালসিয়ামের শিল্প নিষ্কাশনের জন্য, সবচেয়ে সাধারণ প্রাথমিক উপাদান হল ক্যালসিয়াম কার্বনেট, সাধারণত চুনাপাথর থেকে প্রাপ্ত। যেহেতু চুনাপাথরের আমানতগুলি প্রায়শই তুলনামূলকভাবে বিশুদ্ধ হয়, তাই সালফাইড আকরিকের জন্য প্রয়োজনীয় ব্যাপক ঘনত্বের পদক্ষেপগুলি সাধারণত প্রয়োজন হয় না।

আকরিক ঘনত্বকরণ/প্রস্তুতির প্রাথমিক পদ্ধতিসমূহ:

• চূর্ণকরণ এবং পিষণ: খনন করা চুনাপাথরকে প্রথমে চূর্ণ এবং পেষণ করা হয় যাতে এটি পরবর্তী প্রক্রিয়াকরণের জন্য উপযুক্ত কণার আকারে হ্রাস পায়।
• ধৌতকরণ: কিছু ক্ষেত্রে, আকরিক দূষিত হলে লেগে থাকা মাটির অপরিষ্কার পদার্থ (গ্যাং) অপসারণের জন্য জল দিয়ে সাধারণ ধৌতকরণ ব্যবহার করা যেতে পারে।
• ক্যালসিনেশন: যদিও এটি কঠোরভাবে একটি ঘনত্বকরণ পদ্ধতি নয়, ক্যালসিনেশন হল ক্যালসিয়াম নিষ্কাশনের জন্য একটি উপযুক্ত যৌগ প্রস্তুত করার একটি গুরুত্বপূর্ণ প্রাথমিক পদক্ষেপ। চুনাপাথর ($\text\{CaCO\}_3$) তীব্রভাবে উত্তপ্ত করা হয় (সাধারণত $900-1000^\circ\text\{C\}$) এটিকে ক্যালসিয়াম অক্সাইড (কুইকলাইম) এবং কার্বন ডাই অক্সাইডে বিয়োজিত করতে: $\text\{CaCO\}_3 (\text\{s\}) \xrightarrow\{\text\{Heat\}\} \text\{CaO\} (\text\{s\}) + \text\{CO\}_2 (\text\{g\})$ ক্যালসিয়াম অক্সাইডকে তারপর হাইড্রোক্লোরিক অ্যাসিডের সাথে বিক্রিয়া করিয়ে ক্যালসিয়াম ক্লোরাইডে ($\text\{CaCl\}_2$) রূপান্তরিত করা হয়: $\text\{CaO\} (\text\{s\}) + 2\text\{HCl\} (\text\{aq\}) \rightarrow \text\{CaCl\}_2 (\text\{aq\}) + \text\{H\}_2\text\{O\} (\text\{l\})$ ফলস্বরূপ প্রাপ্ত $\text\{CaCl\}_2$ দ্রবণকে বাষ্পীভূত করে কঠিন, অনার্দ্র ক্যালসিয়াম ক্লোরাইড পাওয়া যায়, যা বিজারণের জন্য ইলেক্ট্রোলাইট হিসাবে কাজ করে।

অপরিশোধিত ধাতুতে বিজারণ

ক্যালসিয়াম একটি উচ্চ তড়িৎ-ধনাত্মক ধাতু, তাই রাসায়নিক বিজারণ পদ্ধতি (যেমন, কার্বন বিজারণ) অবাস্তব, কারণ ক্যালসিয়াম কার্বাইড ($\text\{CaC\}_2$) সহজেই তৈরি হবে, অথবা ক্যালসিয়াম নিজেই অত্যন্ত বিক্রিয়াশীল। অতএব, ক্যালসিয়ামের শিল্প নিষ্কাশন একচেটিয়াভাবে তড়িৎ-বিশ্লেষণমূলক বিজারণের উপর নির্ভরশীল।

গলিত ক্যালসিয়াম ক্লোরাইডের তড়িৎ-বিশ্লেষণমূলক বিজারণ:

• নীতি: গলিত ক্যালসিয়াম ক্লোরাইডের তড়িৎ-বিশ্লেষণ ক্যাথোড এ ক্যালসিয়াম ধাতুর সঞ্চয় ঘটায়।
• তড়িৎ-বিশ্লেষণ কোষ: একটি তড়িৎ-বিশ্লেষণ কোষ ব্যবহার করা হয়, যা সাধারণত একটি গ্রাফাইট অ্যানোড এবং একটি লোহা বা তামার ক্যাথোড নিয়ে গঠিত।
• ইলেক্ট্রোলাইট: ইলেক্ট্রোলাইট হল গলিত অনার্দ্র ক্যালসিয়াম ক্লোরাইড ($\text\{CaCl\}_2$)। $\text\{CaCl\}_2$ এর গলনাঙ্ক ($772^\circ\text\{C\}$) কমাতে এবং পরিবাহিতা উন্নত করতে, প্রায়শই ক্যালসিয়াম ফ্লোরাইড ($\text\{CaF\}_2$) যোগ করা হয়। এই মিশ্রণটি সাধারণত প্রায় $700^\circ\text\{C\}$ তাপমাত্রায় গলে যায়।
• বিক্রিয়াসমূহ:
  • ক্যাথোড এ (নেতিবাচক ইলেক্ট্রোড, লোহা/তামা): $\text\{Ca\}^\{2+\} + 2\text\{e\}^- \rightarrow \text\{Ca\}$ (গলিত ক্যালসিয়াম গঠিত হয়)
  • অ্যানোড এ (ধনাত্মক ইলেক্ট্রোড, গ্রাফাইট): $2\text\{Cl\}^- \rightarrow \text\{Cl\}_2 + 2\text\{e\}^-$ (ক্লোরিন গ্যাস নির্গত হয়)
• প্রক্রিয়া পরিচালনা: ক্যাথোডকে একটি শীতল লোহার রড হিসাবে ডিজাইন করা হয়েছে যা ধীরে ধীরে গলিত ইলেক্ট্রোলাইটের মধ্যে নেমে যায়। যেহেতু গলিত ক্যালসিয়াম ইলেক্ট্রোলাইটের চেয়ে ঘন, এটি ক্যাথোডের চারপাশে জমা হয়। ক্যাথোডকে ধীরে ধীরে উপরে তোলা হয় যাতে জমা হওয়া ক্যালসিয়াম কঠিন হয় এবং একটি “ক্যালসিয়াম স্টিক” বা “ক্যালসিয়াম ইনগট” তৈরি হয়, যা ক্রমাগত বের করে নেওয়া হয়। এই পদ্ধতি নিশ্চিত করে যে গলিত ক্যালসিয়াম ধাতু ইলেক্ট্রোলাইটে পুনরায় দ্রবীভূত না হয় বা বাতাসের সাথে বিক্রিয়া না করে।

শোধন এবং বিশুদ্ধকরণ

তড়িৎ-বিশ্লেষণ প্রক্রিয়া থেকে প্রাপ্ত অপরিশোধিত ক্যালসিয়ামে ম্যাগনেসিয়াম, অ্যালুমিনিয়াম এবং অবশিষ্ট ক্লোরাইডের মতো অল্প পরিমাণে অপদ্রব্য থাকতে পারে। উচ্চ বিশুদ্ধতার প্রয়োগের জন্য, আরও পরিশোধন প্রয়োজন।

সাধারণ পরিশোধন পদ্ধতিসমূহ:

• পাতন: অপরিশোধিত ক্যালসিয়াম বিশুদ্ধ করার জন্য এটি সবচেয়ে সাধারণ পদ্ধতি। লোহা এবং অন্যান্য নির্দিষ্ট ধাতুর মতো অনেক সাধারণ অপদ্রব্যের তুলনায় ক্যালসিয়ামের একটি তুলনামূলকভাবে কম স্ফুটনাঙ্ক ($1484^\circ\text\{C\}$) রয়েছে।
  • অপরিশোধিত ক্যালসিয়ামকে শূন্যতার অধীনে তার স্ফুটনাঙ্কের চেয়ে বেশি তাপমাত্রায় উত্তপ্ত করা হয়।
  • ক্যালসিয়াম বাষ্পীভূত হয় এবং তারপর যন্ত্রের একটি শীতল অংশে ঘনীভূত হয়, অ-উদ্বায়ী অপদ্রব্যগুলি পিছনে ফেলে।
  • উদ্বায়ী অপদ্রব্য (যেমন, ম্যাগনেসিয়াম, যদি উপস্থিত থাকে) স্ফুটনাঙ্কের পার্থক্যের কারণে আংশিক পাতন দ্বারা পৃথক করা যেতে পারে।
• জোন শোধন: বিশেষায়িত অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে (যেমন, সেমিকন্ডাক্টর) প্রয়োজনীয় অত্যন্ত উচ্চ বিশুদ্ধ ক্যালসিয়ামের জন্য, জোন শোধন ব্যবহার করা যেতে পারে।
  • অপরিশোধিত ক্যালসিয়ামের একটি বারে একটি সংকীর্ণ গলিত অঞ্চল তৈরি করা হয় এবং ধীরে ধীরে তার দৈর্ঘ্য বরাবর সরানো হয়।
  • অপদ্রব্যগুলি গলিত দশায় থাকতে থাকে এবং দণ্ডের এক প্রান্তে স্থানান্তরিত হয়, যখন বিশুদ্ধ ক্যালসিয়াম চলন্ত অঞ্চলের পিছনে কঠিন হয়।
  • একাধিক পাসের ফলে অত্যন্ত উচ্চ বিশুদ্ধতার ধাতু পাওয়া যায়। এই পদ্ধতিটি সাধারণত আরও ব্যয়বহুল এবং গবেষণাগার-পর্যায়ের পরিশোধন বা উচ্চ-মূল্যের উপকরণগুলির জন্য ব্যবহৃত হয়।