ধাতুবিদ্যা এবং তামার (Cu) শিল্প নিষ্কাশন

প্রাকৃতিক উপস্থিতি ও প্রধান আকরিকসমূহ

তামা (Cu) প্রাকৃতিক (মুক্ত) এবং সংযুক্ত উভয় অবস্থাতেই পাওয়া যায়। এর প্রাথমিক বাণিজ্যিক নিষ্কাশন সালফাইড আকরিক থেকে হয়।

প্রধান তামার আকরিকসমূহ:

1. সালফাইড আকরিকসমূহ: এগুলি সবচেয়ে সাধারণ এবং অর্থনৈতিকভাবে গুরুত্বপূর্ণ।

   • চালকোলাইরাইট (কপার পাইরাইটস): CuFeS₂ (সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ আকরিক)
   • ক্যালকোসাইট (কপার গ্ল্যান্স): Cu₂S
   • বোর্নাইট (পিকক আকরিক): Cu₅FeS₄

2. অক্সাইড আকরিকসমূহ:

   • কিউপ্রাইট (লাল তামার আকরিক): Cu₂O

3. কার্বনেট আকরিকসমূহ:

   • ম্যালাকাইট: CuCO₃·Cu(OH)₂
   • অ্যাজুরাইট: 2CuCO₃·Cu(OH)₂

আকরিকের ঘনত্বকরণ

সালফাইড আকরিকের জন্য সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ ধাপ হলো ঘনত্বকরণ, যা কাঙ্ক্ষিত ধাতুর শতাংশ বৃদ্ধি করে।

ফোম প্লবীকরণ প্রক্রিয়া (Froth Flotation Process)

এই পদ্ধতিটি মূলত চালকোলাইরাইটের মতো সালফাইড আকরিকের ঘনত্বকরণের জন্য ব্যবহৃত হয়।

• নীতি: আকরিক এবং গ্যাং কণার পৃথক ভেজাতা ধর্মের উপর ভিত্তি করে এটি কাজ করে। সালফাইড আকরিকের কণাগুলি তেল দ্বারা (হাইড্রোফোবিক) অগ্রাধিকারমূলকভাবে ভেজে এবং ফোমের সাথে ভেসে ওঠে, যখন গ্যাং কণাগুলি জল দ্বারা (হাইড্রোফিলিক) ভেজে এবং নীচে ডুবে যায়।
• পদ্ধতি:
  1. সূক্ষ্ম গুঁড়ো করা আকরিক জল দিয়ে মিশিয়ে একটি স্লারি তৈরি করা হয়।
  2. সংগ্রাহক (যেমন, পাইন তেল, ইউক্যালিপটাস তেল, জ্যান্থেটস) যোগ করা হয় সালফাইড আকরিকের কণাগুলির অ-ভেজাতা বাড়ানোর জন্য।
  3. ফোমকে স্থিতিশীল করতে ফোমিং এজেন্ট (যেমন, ক্রেসলস, অ্যানিলিনস) যোগ করা হয়।
  4. যদি অন্যান্য সালফাইড আকরিক (যেমন জিঙ্ক সালফাইড) অপদ্রব্য হিসাবে উপস্থিত থাকে, তাহলে অবদমক (যেমন, ZnS এর জন্য NaCN বা Na₂S) ব্যবহার করে তাদের ফোম তৈরি করা থেকে বেছে বেছে আটকানো যেতে পারে।
  5. মিশ্রণের মধ্যে দিয়ে প্রবলভাবে বাতাস প্রবাহিত করা হয়।
  6. তেল-আচ্ছাদিত আকরিকের কণাগুলি বাতাসের বুদবুদের সাথে আটকে যায়, পৃষ্ঠে উঠে আসে এবং একটি ফোম তৈরি করে, যা তুলে নেওয়া হয়।
  7. গ্যাং কণাগুলি, ভারী হওয়ায় এবং জল দ্বারা ভেজা হওয়ায়, নীচে থিতিয়ে পড়ে।

অপরিশোধিত ধাতুতে হ্রাস

ঘনত্বকৃত তামার আকরিক (প্রাথমিকভাবে চালকোলাইরাইট, CuFeS₂) ক্রুড তামা উৎপন্ন করার জন্য পাইরোমেটালার্জিক্যাল ধাপগুলির একটি সিরিজের মধ্য দিয়ে যায়।

1. রোস্টিং (Roasting)

• প্রক্রিয়া: ঘনত্বকৃত আকরিককে নিয়ন্ত্রিত বায়ু সরবরাহে একটি রিভার্বেরেটরি চুল্লিতে তীব্রভাবে উত্তপ্ত করা হয়।
• উদ্দেশ্য:
  • আর্দ্রতা এবং আর্সেনিক (As), অ্যান্টিমনি (Sb), এবং সালফার (S) এর মতো উদ্বায়ী অপদ্রব্যগুলিকে তাদের উদ্বায়ী অক্সাইড (যেমন, SO₂, As₂O₃) হিসাবে অপসারণ করে।
  • সালফাইড আকরিক (CuFeS₂) কে আংশিকভাবে অক্সাইড এবং সালফেটে রূপান্তরিত করে।
  • আয়রন সালফাইড (FeS) কে আয়রন অক্সাইড (FeO) এ রূপান্তরিত করে, যা অপসারণ করা সহজ।
• মূল বিক্রিয়াগুলি:
  • 2CuFeS₂(s) + O₂(g) \rightarrow Cu₂S(s) + 2FeS(s) + SO₂(g) (আংশিক জারণ)
  • 2FeS(s) + 3O₂(g) \rightarrow 2FeO(s) + 2SO₂(g)
  • S(s) + O₂(g) \rightarrow SO₂(g)
  • 4As(s) + 3O₂(g) \rightarrow 2As₂O₃(g) (উদ্বায়ী)

2. স্মেল্টিং (Smelting)

• প্রক্রিয়া: রোস্টেড আকরিককে সিলিকা (বালি, SiO₂) এর সাথে মিশ্রিত করা হয় এবং একটি রিভার্বেরেটরি চুল্লিতে প্রায় 1400-1500°C তাপমাত্রায় তীব্রভাবে উত্তপ্ত করা হয়।
• উদ্দেশ্য:
  • লোহার অপদ্রব্যগুলিকে একটি গালিত স্ল্যাগ হিসাবে অপসারণ করা।
  • কপার ম্যাট তৈরি করা।
• বিক্রিয়াগুলি:
  • রোস্টিংয়ের সময় উৎপন্ন আয়রন অক্সাইড (FeO), অবশিষ্ট FeS সহ, যোগ করা সিলিকার সাথে বিক্রিয়া করে গলিত আয়রন সিলিকেট (স্ল্যাগ) তৈরি করে, যা হালকা এবং পৃষ্ঠে ভাসে।
  • FeO(s) + SiO₂(s) \rightarrow FeSiO₃(l) (স্ল্যাগ)
  • অবশিষ্ট Cu₂S এবং কোনো অপরিশোধিত FeS গলে একটি ভারী, কালো তরল তৈরি করে যা কপার ম্যাট নামে পরিচিত।
• উৎপাদ: কপার ম্যাট (প্রাথমিকভাবে Cu₂S, সামান্য FeS সহ) এবং স্ল্যাগের একটি পৃথক স্তর (FeSiO₃)।

3. বেসেমেরাইজেশন (রূপান্তর)

• প্রক্রিয়া: গলিত কপার ম্যাটকে একটি বড় নাশপাতি আকৃতির বেসেমার কনভার্টারে স্থানান্তর করা হয়, যা রিফ্র্যাক্টরি (সিলিকা এবং ম্যাগনেসিয়া) দিয়ে আবৃত। গরম বাতাস (কখনও কখনও অক্সিজেন সমৃদ্ধ) এবং সিলিকা গলিত ম্যাটের মধ্যে দিয়ে প্রবাহিত করা হয়।
• উদ্দেশ্য:
  • অবশিষ্ট FeS কে FeO তে জারিত করা এবং স্ল্যাগ হিসাবে অপসারণ করা।
  • Cu₂S কে Cu₂O তে জারিত করা, যা পরে অপরিশোধিত Cu₂S এর সাথে স্ব-হ্রাস প্রক্রিয়ার মাধ্যমে ক্রুড তামা তৈরি করে।
• বিক্রিয়াগুলি:
  • প্রথমে, অবশিষ্ট FeS জারিত হয় এবং স্ল্যাগ হিসাবে অপসারিত হয়:
    • 2FeS(s) + 3O₂(g) \rightarrow 2FeO(s) + 2SO₂(g)
    • FeO(s) + SiO₂(s) \rightarrow FeSiO₃(l) (স্ল্যাগ)
  • একবার সমস্ত FeS অপসারিত হলে, Cu₂S জারিত হয়, এবং তারপর স্ব-হ্রাস ঘটে:
    • 2Cu₂S(l) + 3O₂(g) \rightarrow 2Cu₂O(s) + 2SO₂(g)
    • 2Cu₂O(s) + Cu₂S(l) \rightarrow 6Cu(l) + SO₂(g) (স্ব-হ্রাস)
• উৎপাদ: ব্লিস্টার কপার (প্রায় 98% বিশুদ্ধ)। এর পৃষ্ঠের রুক্ষ, ফোস্কার মতো চেহারার কারণে এর নামকরণ করা হয়েছে, যা কঠিন হওয়ার সময় SO₂ গ্যাস নির্গত হওয়ার কারণে হয়।

4. ফায়ার রিফাইনিং (পোলিং)

• প্রক্রিয়া: ব্লিস্টার কপারকে একটি রিভার্বেরেটরি চুল্লিতে গলানো হয় এবং সবুজ কাঠ বা বাঁশের খুঁটি দিয়ে নাড়াচাড়া করা হয়।
• উদ্দেশ্য: ব্লিস্টার কপারের মধ্যে অবশিষ্ট থাকা কোনো কপার অক্সাইড (Cu₂O) কে ধাতব তামায় ফিরিয়ে আনতে হ্রাস করা। সবুজ কাঠের হাইড্রোকার্বনগুলি হ্রাসকারী এজেন্ট হিসাবে কাজ করে।
• বিক্রিয়া:
  • 2Cu₂O(s) + C(s) \rightarrow 4Cu(l) + CO₂(g)
• উৎপাদ: প্রায় 99.5% বিশুদ্ধ তামা উৎপন্ন হয়, যা এখনও বৈদ্যুতিক প্রয়োগের জন্য অপর্যাপ্ত।

পরিশোধন

উচ্চ-বিশুদ্ধতার প্রয়োগের জন্য, বিশেষ করে বৈদ্যুতিক তারের জন্য, তামার আরও পরিশোধন প্রয়োজন।

তড়িৎবিশ্লেষণীয় পরিশোধন

উচ্চ-বিশুদ্ধ তামা (99.9% থেকে 99.99%) পাওয়ার জন্য এটি সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ এবং বহুল ব্যবহৃত পদ্ধতি।

• বিন্যাস:
  • অ্যানোড: অপরিশোধিত (ব্লিস্টার) তামার পুরু ব্লক।
  • ক্যাথোড: বিশুদ্ধ তামার পাতলা চাদর।
  • ইলেকট্রোলাইট: তামার সালফেট (CuSO₄) এর একটি জলীয় দ্রবণ যা লঘু সালফিউরিক অ্যাসিড (H₂SO₄) দ্বারা অম্লীকৃত।
• প্রক্রিয়া:
  1. যখন তড়িৎবিশ্লেষণীয় কোষে একটি বৈদ্যুতিক প্রবাহ চালিত করা হয়, তখন অপরিশোধিত তামার অ্যানোড জারিত হয়।
  2. অ্যানোড থেকে তামা Cu²⁺ আয়ন হিসাবে ইলেকট্রোলাইটে দ্রবীভূত হয়।
     • অ্যানোড বিক্রিয়া (জারণ):
       • Cu (অপরিশোধিত অ্যানোড) \rightarrow Cu²⁺(aq) + 2e⁻
  3. অপরিশোধিত অ্যানোড-এ উপস্থিত অধিক তড়িৎ-ধনাত্মক অপদ্রব্যগুলি (যেমন, Fe, Zn, Ni) তাদের নিজ নিজ আয়ন (Fe²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺) হিসাবে ইলেকট্রোলাইটে দ্রবীভূত হয়।
  4. কম তড়িৎ-ধনাত্মক অপদ্রব্যগুলি (যেমন, Ag, Au, Pt) দ্রবীভূত হয় না এবং কোষের নীচে অ্যানোড কাদা বা অ্যানোড স্ল্যাজ হিসাবে পড়ে, যা এই মূল্যবান ধাতুগুলির জন্য একটি মূল্যবান উৎস।
  5. ক্যাথোডে, ইলেকট্রোলাইট থেকে Cu²⁺ আয়নগুলি স্থানান্তরিত হয় এবং বিশুদ্ধ তামা ধাতুতে হ্রাসপ্রাপ্ত হয়, যা বিশুদ্ধ তামার চাদরের উপর জমা হয়।
     • ক্যাথোড বিক্রিয়া (হ্রাস):
       • Cu²⁺(aq) + 2e⁻ \rightarrow Cu(s) (বিশুদ্ধ তামা জমা)
  6. ইলেকট্রোলাইটে Cu²⁺ আয়নের ঘনত্ব তুলনামূলকভাবে স্থির থাকে কারণ যে হারে অ্যানোড থেকে তামা দ্রবীভূত হয় সেই একই হারে ক্যাথোডে জমা হয়।
• ফলস্বরূপ: উচ্চ-বিশুদ্ধ তামা (প্রায়শই 99.99% বিশুদ্ধ), যা তার চমৎকার পরিবাহিতার কারণে বৈদ্যুতিক পরিবাহকের জন্য অপরিহার্য।