ধাতুবিদ্যা এবং ক্লোরিনের (Cl) শিল্প নিষ্কাশন

প্রাকৃতিক উপস্থিতি এবং প্রধান উৎস

ক্লোরিন একটি অত্যন্ত সক্রিয় হ্যালোজেন এবং প্রকৃতিতে তার মৌলিক রূপে পাওয়া যায় না। এটি শুধুমাত্র বিভিন্ন আয়নিক যৌগে ক্লোরাইড আয়ন (Cl⁻) হিসাবে পাওয়া যায়।

1. সমুদ্রের জল: সবচেয়ে প্রচুর উৎস, যাতে প্রায় 2.7% (w/v) সোডিয়াম ক্লোরাইড (NaCl) থাকে এবং এর সাথে অল্প পরিমাণে অন্যান্য ধাতব ক্লোরাইড (যেমন, MgCl₂, CaCl₂) থাকে।
2. লবণ জলের কুপ (Brine Wells): ঘন লবণ দ্রবণের ভূগর্ভস্থ সঞ্চয়।
3. খনিজ লবণ (Rock Salt / হ্যালাইট): সোডিয়াম ক্লোরাইডের (NaCl) কঠিন সঞ্চয়।
4. কার্নালাইট: একটি ডাবল লবণ, KCl·MgCl₂·6H₂O।
5. সিলভাইট: পটাশিয়াম ক্লোরাইড (KCl)।

মৌলিক ক্লোরিনের শিল্প নিষ্কাশনের জন্য, সোডিয়াম ক্লোরাইডই প্রধান কাঁচামাল, কারণ এটি প্রচুর পরিমাণে পাওয়া যায় এবং এর তড়িৎ বিশ্লেষণ সহজ।

উৎসের উপাদানকে ঘন করা

ধাতব আকরিকের বিপরীতে যার জন্য ভৌত ঘনত্বের পদ্ধতি প্রয়োজন, ক্লোরাইড উৎসের “ঘনত্ব” প্রধানত তড়িৎ বিশ্লেষণের জন্য উপযুক্ত একটি বিশুদ্ধ, ঘন ব্রাইন দ্রবণ প্রাপ্ত করা বোঝায়।

1. সমুদ্রের জল/লবণ জলের কুপ থেকে:

   • সৌর বাষ্পীভবন: সমুদ্রের জল বা পাতলা লবণ জল বড় অগভীর পুকুরে বাষ্পীভূত হতে দেওয়া হয়, যার ফলে অপরিশোধিত সোডিয়াম ক্লোরাইড কেলাসিত হয়।
   • লবণ জল (ব্রাইন) পরিশোধন: এরপর অপরিশোধিত লবণ জলে দ্রবীভূত করা হয় বা সরাসরি কুপ থেকে প্রাপ্ত লবণ জলকে পরিশোধন করা হয়। Ca²⁺, Mg²⁺, এবং Fe³⁺ আয়নের মতো অপদ্রব্য দূর করার জন্য এই ধাপটি অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। এই আয়নগুলি তড়িৎ বিশ্লেষণ প্রক্রিয়ায় বাধা সৃষ্টি করতে পারে (যেমন, হাইড্রোক্সাইড হিসাবে অধঃক্ষেপিত হয়ে, মেমব্রেন আটকে দিয়ে বা অবাঞ্ছিত উপজাত তৈরি করে)।
   • রাসায়নিক পরিশোধন: অপদ্রব্যগুলি সাধারণত সোডিয়াম কার্বনেট (Na₂CO₃) যোগ করে ক্যালসিয়াম কার্বনেট (CaCO₃) অধঃক্ষেপিত করে এবং সোডিয়াম হাইড্রোক্সাইড (NaOH) যোগ করে ম্যাগনেসিয়াম হাইড্রোক্সাইড (Mg(OH)₂) অধঃক্ষেপিত করে দূর করা হয়। এই অধঃক্ষেপগুলি অপসারণের জন্য এরপর পরিস্রাবণ করা হয়।

2. খনিজ লবণ থেকে:

   • খনিজ লবণের সঞ্চয় খনন করা হয় এবং তারপর জলে দ্রবীভূত করে একটি সম্পৃক্ত ব্রাইন দ্রবণ তৈরি করা হয়, যা উপরে বর্ণিত পদ্ধতি অনুসারে পরে পরিশোধন করা হয়।

মৌলিক ক্লোরিনে বিজারণ (শিল্প নিষ্কাশন)

মৌলিক ক্লোরিন শিল্পগতভাবে প্রায় একচেটিয়াভাবে জলীয় সোডিয়াম ক্লোরাইড দ্রবণ (ব্রাইন) বা গলিত সোডিয়াম ক্লোরাইডের তড়িৎ বিশ্লেষণ দ্বারা উৎপাদিত হয়। এই প্রক্রিয়াটি সাধারণত ক্লোর-অ্যালকালি প্রক্রিয়া নামে পরিচিত, কারণ এটি ক্লোরিন এবং একটি ক্ষার (সোডিয়াম হাইড্রোক্সাইড) সহ-উৎপাদন করে।

প্রধানত তিন ধরনের তড়িৎ বিশ্লেষ্য কোষ ব্যবহৃত হয়:

1. ডায়াফ্রাম সেল (যেমন, নেলসন সেল, হুকার সেল)

• নীতি: জলীয় NaCl দ্রবণের তড়িৎ বিশ্লেষণ একটি ছিদ্রযুক্ত ডায়াফ্রাম (ঐতিহাসিকভাবে অ্যাসবেস্টস, বর্তমানে প্রায়শই পলিমার-ভিত্তিক) ব্যবহার করে অ্যানোড এবং ক্যাথোড কক্ষগুলিকে পৃথক করে, যা পণ্যগুলির মিশ্রণ রোধ করে।
• স্থাপন: অ্যানোড কক্ষে গ্রাফাইট বা ডাইমেনশনালি স্টেবল অ্যানোড (DSA, যেমন, RuO₂/TiO₂ প্রলিপ্ত টাইটানিয়াম) ব্রাইনে নিমজ্জিত থাকে। ক্যাথোড একটি ছিদ্রযুক্ত ইস্পাতের প্লেট। ডায়াফ্রাম দুটি কক্ষকে পৃথক করে।
• বিক্রিয়াগুলি:
  • অ্যানোডে (জারণ): ক্লোরাইড আয়ন জারিত হয়। 2Cl⁻(aq) \rightarrow Cl₂(g) + 2e⁻
  • ক্যাথোডে (বিজারণ): Na⁺ আয়নের (জলীয় দ্রবণে Na জমার জন্য উচ্চ ওভারপোটেনশিয়ালের কারণে) তুলনায় জল বিজারিত হয়। 2H₂O(l) + 2e⁻ \rightarrow H₂(g) + 2OH⁻(aq)
  • সামগ্রিক বিক্রিয়া: 2NaCl(aq) + 2H₂O(l) \rightarrow Cl₂(g) + H₂(g) + 2NaOH(aq)
• পণ্য: ক্লোরিন গ্যাস (অ্যানোডে), হাইড্রোজেন গ্যাস (ক্যাথোডে), এবং সোডিয়াম হাইড্রোক্সাইডের একটি পাতলা দ্রবণ (অবিক্রিয়াজাত NaCl ধারণকারী)। NaOH দ্রবণকে লবণ অপসারণের জন্য আরও ঘন এবং পরিশোধন করার প্রয়োজন হয়।
• সুবিধা: পারদ কোষের চেয়ে কম শক্তি-নিবিড়; পারদ দূষণ এড়ানো যায়।
• অসুবিধা: কম বিশুদ্ধ এবং পাতলা NaOH দ্রবণ তৈরি করে, যার জন্য আরও প্রক্রিয়াকরণের প্রয়োজন হয়।

2. পারদ কোষ (কাস্টনার-কেলনার সেল)

• নীতি: একটি প্রবাহিত পারদ ক্যাথোড ব্যবহার করে জলীয় NaCl দ্রবণের তড়িৎ বিশ্লেষণ, যা সোডিয়ামের সাথে একটি অ্যামালগাম তৈরি করে। এটি প্রধান তড়িৎ বিশ্লেষ্য কোষ থেকে NaOH উৎপাদনকে পৃথক করে, যা উচ্চ বিশুদ্ধতার পণ্য তৈরি করতে দেয়।
• স্থাপন: অ্যানোডগুলি (গ্রাফাইট বা DSA) ব্রাইনে পারদের একটি প্রবাহিত স্তরের উপরে স্থগিত থাকে যা ক্যাথোড হিসাবে কাজ করে। কোষটি সামান্য হেলানো থাকে।
• বিক্রিয়াগুলি:
  • অ্যানোডে (জারণ): 2Cl⁻(aq) \rightarrow Cl₂(g) + 2e⁻
  • পারদ ক্যাথোডে (বিজারণ): সোডিয়াম আয়ন বিজারিত হয় এবং পারদে দ্রবীভূত হয়ে সোডিয়াম অ্যামালগাম তৈরি করে। Na⁺(aq) + e⁻ + Hg(l) \rightarrow Na-Hg(l) (সোডিয়াম অ্যামালগাম)
  • ডিকম্পোজার (সেকেন্ডারি সেল): সোডিয়াম অ্যামালগাম একটি পৃথক ডিকম্পোজারে প্রবাহিত হয়, যেখানে এটি একটি গ্রাফাইট অনুঘটকের উপর জলের সাথে বিক্রিয়া করে উচ্চ বিশুদ্ধতার NaOH এবং H₂ তৈরি করে। পারদ পুনরুদ্ধার করা হয় এবং পুনরায় ব্যবহার করা হয়। 2Na-Hg(l) + 2H₂O(l) \rightarrow 2NaOH(aq) + H₂(g) + 2Hg(l)
• পণ্য: উচ্চ বিশুদ্ধতার ক্লোরিন গ্যাস, উচ্চ বিশুদ্ধতার এবং ঘন সোডিয়াম হাইড্রোক্সাইড দ্রবণ, এবং হাইড্রোজেন গ্যাস।
• সুবিধা: অত্যন্ত বিশুদ্ধ এবং ঘন NaOH তৈরি করে।
• অসুবিধা: উচ্চ শক্তি খরচ; পারদ লিকের কারণে উল্লেখযোগ্য পরিবেশগত উদ্বেগ, যার ফলে এটি অনেক অঞ্চলে পর্যায়ক্রমে বন্ধ করা হচ্ছে।

3. মেমব্রেন সেল (আয়ন-এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন সেল)

• নীতি: একটি ক্যাটায়ন-এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন (যেমন, Nafion) ব্যবহার করে অ্যানোড কক্ষ থেকে ক্যাথোড কক্ষে Na⁺ আয়নগুলিকে নির্বাচনমূলকভাবে অতিক্রম করতে দেয়, যখন Cl⁻ এবং OH⁻ আয়নগুলির স্থানান্তর রোধ করে। এটি পৃথক, উচ্চ বিশুদ্ধতার পণ্য নিশ্চিত করে।
• স্থাপন: কোষটি একটি ক্যাটায়ন-এক্সচেঞ্জ মেমব্রেন দ্বারা দুটি কক্ষে বিভক্ত। ব্রাইন অ্যানোড কক্ষে (DSA অ্যানোড) সরবরাহ করা হয়। বিশুদ্ধ জল ক্যাথোড কক্ষে (নিকেল ক্যাথোড) সরবরাহ করা হয়।
• বিক্রিয়াগুলি:
  • অ্যানোডে (জারণ): 2Cl⁻(aq) \rightarrow Cl₂(g) + 2e⁻
  • ক্যাথোডে (বিজারণ): জল বিজারিত হয়। 2H₂O(l) + 2e⁻ \rightarrow H₂(g) + 2OH⁻(aq)
  • মেমব্রেনের কার্যকারিতা: Na⁺ আয়ন মেমব্রেনের মাধ্যমে অ্যানোড কক্ষ থেকে ক্যাথোড কক্ষে স্থানান্তরিত হয়, যেখানে তারা OH⁻ আয়নের সাথে মিলিত হয়ে NaOH তৈরি করে।
  • সামগ্রিক বিক্রিয়া: 2NaCl(aq) + 2H₂O(l) \rightarrow Cl₂(g) + H₂(g) + 2NaOH(aq)
• পণ্য: উচ্চ বিশুদ্ধতার ক্লোরিন গ্যাস, উচ্চ বিশুদ্ধতার এবং ঘন সোডিয়াম হাইড্রোক্সাইড দ্রবণ, এবং হাইড্রোজেন গ্যাস।
• সুবিধা: সবচেয়ে পরিবেশ বান্ধব এবং শক্তি-দক্ষ পদ্ধতি। অত্যন্ত বিশুদ্ধ এবং ঘন NaOH তৈরি করে। আধুনিক শিল্প কারখানাগুলিতে ব্যাপকভাবে গৃহীত হয়েছে।

ডিকন প্রক্রিয়া (ঐতিহাসিক/অপ্রধান)

• এই প্রক্রিয়াটি হাইড্রোজেন ক্লোরাইড (HCl) গ্যাসকে বায়ু (অক্সিজেন) দ্বারা অনুঘটিত জারণের মাধ্যমে ক্লোরিন উৎপাদনে জড়িত।
• 4HCl(g) + O₂(g) \rightleftharpoons 2Cl₂(g) + 2H₂O(g)
• অনুঘটক: CuCl₂ 400-450 °C তাপমাত্রায়।
• এটি ক্লোরিনকে তার প্রাকৃতিক উৎস থেকে নিষ্কাশনের একটি প্রাথমিক পদ্ধতি নয়, বরং উপজাত HCl থেকে ক্লোরিন পুনরুদ্ধারের একটি উপায়।

ক্লোরিনের পরিশোধন

তড়িৎ বিশ্লেষ্য কোষ থেকে সরাসরি প্রাপ্ত ক্লোরিন গ্যাসে প্রায়শই অপদ্রব্য থাকে, প্রধানত আর্দ্রতা এবং কখনও কখনও হাইড্রোজেন গ্যাস (বিশেষ করে ডায়াফ্রাম কোষ থেকে)। শিল্প ব্যবহার এবং নিরাপদ সংরক্ষণের জন্য এটি পরিশোধন ও শুষ্ক করা প্রয়োজন।

1. শীতলীকরণ: প্রথমে ক্লোরিন গ্যাসকে শীতল করা হয় যাতে উপস্থিত বেশিরভাগ জলীয় বাষ্প ঘনীভূত হয়।
2. শুষ্ককরণ: শীতল ক্লোরিন গ্যাসকে এরপর সিরামিক রিং দিয়ে ভরা টাওয়ারের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত করা হয়, যেখানে এটি ঘন সালফিউরিক অ্যাসিড (H₂SO₄) এর বিপরীতে প্রবাহিত হয়। ঘন সালফিউরিক অ্যাসিড একটি শক্তিশালী নিরুদক এবং ক্লোরিন গ্যাস থেকে অবশিষ্ট আর্দ্রতা কার্যকরভাবে অপসারণ করে।
3. হাইড্রোজেন পৃথকীকরণ (যদি উপস্থিত থাকে): শুষ্ক করার পর, ক্লোরিন গ্যাসকে আরও বিশুদ্ধ করা যেতে পারে। যদি হাইড্রোজেন উপস্থিত থাকে, তবে এটি সাধারণত তরলীকরণের মাধ্যমে পৃথক করা হয়।
4. তরলীকরণ: শুষ্ক ক্লোরিন গ্যাসকে সংকুচিত করা হয় এবং প্রায় -40 °C (বা চাপের উপর নির্ভর করে আরও কম) তাপমাত্রায় শীতল করে তরল করা হয়। হাইড্রোজেন (এবং অন্যান্য অ-ঘনীভূত গ্যাস) গ্যাসীয় অবস্থায় থাকে এবং পৃথক করা হয়।
5. সংরক্ষণ: তরলীকৃত ক্লোরিন ইস্পাতের সিলিন্ডার, কন্টেইনার বা রেলওয়ে ট্যাঙ্কার গাড়িতে চাপের অধীনে পরিবহন এবং শিল্প ব্যবহারের জন্য সংরক্ষণ করা হয়।