ধাতুবিদ্যা এবং হিলিয়ামের (He) শিল্প নিষ্কাশন

প্রাকৃতিক উপস্থিতি এবং প্রধান উৎস

হিলিয়াম (He) একটি নিষ্ক্রিয় গ্যাস এবং ধাতুগুলির মতো ঐতিহ্যবাহী অর্থে রাসায়নিক যৌগ বা “আকরিক” তৈরি করে না। এর প্রাথমিক প্রাকৃতিক উৎস হলো প্রাকৃতিক গ্যাস জমা, যেখানে এটি হাইড্রোকার্বনের সাথে আবদ্ধ অবস্থায় পাওয়া যায়।

• উৎপত্তি: ভারী তেজস্ক্রিয় মৌল, প্রধানত ইউরেনিয়াম এবং থোরিয়ামের আইসোটোপের আলফা ক্ষয়ের মাধ্যমে পৃথিবীর ভূত্বকের মধ্যে ক্রমাগত হিলিয়াম উৎপন্ন হয়। এই আলফা কণাগুলি (হিলিয়াম নিউক্লিয়াস) ইলেকট্রন গ্রহণ করে নিরপেক্ষ হিলিয়াম পরমাণু গঠন করে, যা পরে স্থানান্তরিত হয়ে ভূতাত্ত্বিক ফাঁদে, প্রায়শই প্রাকৃতিক গ্যাসের সাথে সংযুক্ত অবস্থায় জমা হয়।
• ঘনত্ব: প্রাকৃতিক গ্যাসে হিলিয়ামের ঘনত্ব উল্লেখযোগ্যভাবে পরিবর্তিত হয়। অর্থনৈতিকভাবে লাভজনক সঞ্চয়গুলিতে সাধারণত আয়তনে 0.3% থেকে 7% এর বেশি হিলিয়াম থাকে। প্রধান বিশ্বব্যাপী মজুদগুলি মার্কিন যুক্তরাষ্ট্র, কাতার, আলজেরিয়া এবং রাশিয়ায় পাওয়া যায়।
• বায়ুমণ্ডলীয় উপস্থিতি: হিলিয়াম পৃথিবীর বায়ুমণ্ডলেও উপস্থিত থাকে, তবে অত্যন্ত কম ঘনত্বে (আয়তনে প্রায় 5.2 পার্টস প্রতি মিলিয়ন), যা বায়ুমণ্ডল থেকে এর নিষ্কাশনকে অর্থনৈতিকভাবে অসাধ্য করে তোলে।

প্রাকৃতিক গ্যাস থেকে হিলিয়ামের ঘনত্বকরণ

হিলিয়ামের জন্য “ঘনত্বকরণ” প্রক্রিয়ায় এটিকে প্রাকৃতিক গ্যাসের প্রধান উপাদান, প্রাথমিকভাবে মিথেন এবং অন্যান্য ভারী হাইড্রোকার্বন থেকে পৃথক করা হয়। এটি প্রধানত ক্রায়োজেনিক আংশিক পাতন (cryogenic fractional distillation) এর মাধ্যমে সম্পন্ন করা হয়।

ক্রায়োজেনিক আংশিক পাতন প্রক্রিয়া

1. প্রাক-চিকিৎসা (Pre-treatment): কাঁচা প্রাকৃতিক গ্যাসকে প্রথমে জলীয় বাষ্প (বরফ গঠন রোধ করার জন্য), কার্বন ডাই অক্সাইড (যা ক্রায়োজেনিক তাপমাত্রায় কঠিন হয়ে যাবে) এবং সালফার যৌগের মতো অপদ্রব্য অপসারণের জন্য প্রক্রিয়াজাত করা হয়। এটি সাধারণত আণবিক ছাঁকনি (molecular sieves) বা অ্যামাইন স্ক্রাবার (amine scrubbers) ব্যবহার করে করা হয়।
2. প্রাথমিক শীতলীকরণ এবং ঘনীভবন (Initial Cooling and Condensation): প্রাক-চিকিৎসিত প্রাকৃতিক গ্যাসকে তখন উচ্চ চাপে ক্রমান্বয়ে অত্যন্ত নিম্ন তাপমাত্রায় (সাধারণত -100°C থেকে -170°C) শীতল করা হয়।
   • ভারী হাইড্রোকার্বন (যেমন, প্রোপেন, বিউটেন) উচ্চ তাপমাত্রায় ঘনীভূত হয়।
   • মিথেন (প্রধান উপাদান, স্ফুটনাঙ্ক -161.5°C) নিম্ন তাপমাত্রায় ঘনীভূত হয়।
   • এই ঘনীভূত তরলগুলি নিষ্কাশন করা হয়, যার ফলে একটি গ্যাসীয় প্রবাহ থাকে যা হিলিয়াম এবং নাইট্রোজেনে অত্যন্ত সমৃদ্ধ, সাথে কিছু অবশিষ্ট মিথেন এবং সামান্য পরিমাণে অপদ্রব্য থাকে। এই প্রবাহকে প্রায়শই “অপরিশোধিত হিলিয়াম (crude helium)” বলা হয়।
3. অপরিশোধিত হিলিয়াম উৎপাদন (Crude Helium Production): ফলস্বরূপ অপরিশোধিত হিলিয়াম প্রবাহে সাধারণত 50-70% হিলিয়াম, 20-40% নাইট্রোজেন এবং অল্প পরিমাণে মিথেন, নিয়ন এবং হাইড্রোজেন থাকে।

(চিত্রল বর্ণনা): তাপ বিনিময়কারী (heat exchangers) এবং প্রসারণ ভালভের (expansion valves) একটি সারির কল্পনা করুন যা প্রাকৃতিক গ্যাসকে শীতল করছে। এটি ঠান্ডা হওয়ার সাথে সাথে, বিভিন্ন উপাদান পৃথক ধাপে ক্রমান্বয়ে ঘনীভূত হয়, যা তরল হিসাবে তাদের অপসারণের অনুমতি দেয়। হিলিয়াম এবং নাইট্রোজেন সমৃদ্ধ অবশিষ্ট গ্যাসীয় মিশ্রণ পরবর্তী ধাপে চলে যায়।

আরও পৃথকীকরণ এবং “অপরিশোধিত ধাতুতে হ্রাস” এর সাথে সাদৃশ্য

যেহেতু হিলিয়াম একটি মৌলিক গ্যাস, তাই এখানে “অপরিশোধিত ধাতুতে হ্রাস” (reduction to crude metal) নামক কোনো ধাপ নেই। পরিবর্তে, এই পর্যায়টি হিলিয়ামকে নাইট্রোজেন থেকে পৃথক করার উপর মনোযোগ দেয়, যা অপরিশোধিত হিলিয়াম প্রবাহের প্রধান অপদ্রব্য। এটিও প্রধানত ক্রায়োজেনিক পাতন (cryogenic distillation) অথবা প্রেসার সুইং অ্যাডসর্পশন (PSA) এর মাধ্যমে সম্পন্ন করা হয়।

ক্রায়োজেনিক পাতন (নাইট্রোজেন প্রত্যাখ্যান ইউনিট)

1. গভীর ক্রায়োজেনিক শীতলীকরণ (Deep Cryogenic Cooling): অপরিশোধিত হিলিয়াম মিশ্রণটিকে আরও নিম্ন তাপমাত্রায় ( -190°C এর নিচে) এবং উচ্চ চাপে শীতল করা হয়।
2. নাইট্রোজেন ঘনীভবন (Nitrogen Condensation): এই তাপমাত্রায়, নাইট্রোজেন (স্ফুটনাঙ্ক -196°C) তরলে ঘনীভূত হয়, যখন হিলিয়াম (স্ফুটনাঙ্ক -269°C) গ্যাস হিসাবে থাকে।
3. পৃথকীকরণ (Separation): তরল নাইট্রোজেন নিষ্কাশন করা হয়, যার ফলে হিলিয়ামের একটি গ্যাসীয় প্রবাহ থাকে যা সাধারণত 95-98% বিশুদ্ধ হয়। এই প্রবাহকে প্রায়শই “গ্রেড A” হিলিয়াম বলা হয়।

(চিত্রল বর্ণনা): একটি লম্বা পাতন স্তম্ভের কল্পনা করুন যেখানে অপরিশোধিত হিলিয়াম মিশ্রণ প্রবেশ করে। এটি ঠান্ডা হওয়ার সাথে সাথে, তরল নাইট্রোজেন স্তম্ভের নিচে জমা হয়, যখন গ্যাসীয় হিলিয়াম উপরে উঠে আসে, যেখানে এটি সংগ্রহ করা হয়।

প্রেসার সুইং অ্যাডসর্পশন (PSA)

• কার্যপ্রণালী: PSA একটি নন-ক্রায়োজেনিক বিকল্প বা সম্পূরক পদ্ধতি। এটি ছিদ্রযুক্ত অধিশোষক পদার্থ (যেমন আণবিক ছাঁকনি) ব্যবহার করে যা উচ্চ চাপে নাইট্রোজেন এবং অন্যান্য অপদ্রব্যকে বেছে বেছে অধিশোষণ করে।
• প্রক্রিয়া: অপরিশোধিত হিলিয়াম অধিশোষকের শয্যার (beds) মধ্যে দিয়ে প্রবাহিত করা হয়। নাইট্রোজেন অধিশোষিত হয়, যখন হিলিয়াম এর মধ্য দিয়ে চলে যায়। যখন শয্যাগুলি সম্পৃক্ত হয়, তখন চাপ কমানো হয়, নাইট্রোজেনকে অবশোষণ করে, এবং পরবর্তী চক্রের জন্য অধিশোষকটিকে পুনরুজ্জীবিত করা হয়।
• প্রয়োগ: PSA 99.995% বিশুদ্ধ হিলিয়াম তৈরি করতে ব্যবহার করা যেতে পারে তবে এটি প্রায়শই কম বিশুদ্ধতার প্রয়োজনে বা চূড়ান্ত ক্রায়োজেনিক বিশুদ্ধকরণের আগে একটি প্রাক-বিশুদ্ধকরণ ধাপ হিসাবে ব্যবহৃত হয়।

পরিশোধন এবং বিশুদ্ধকরণ

অতি-উচ্চ বিশুদ্ধতার হিলিয়াম (99.999% বা তার বেশি), যা অনেক উন্নত প্রয়োগের জন্য প্রয়োজন, তা অর্জন করতে আরও বিশুদ্ধকরণ ধাপগুলি অপরিহার্য।

অধিশোষক বিশুদ্ধকরণ

1. নিম্ন-তাপমাত্রা অধিশোষণ (Low-Temperature Adsorption): 95-98% বিশুদ্ধ হিলিয়ামকে সক্রিয় কাঠকয়লা বা আণবিক ছাঁকনির শয্যার মধ্যে দিয়ে প্রবাহিত করা হয় যা খুব নিম্ন তাপমাত্রায় (যেমন, তরল নাইট্রোজেন বা তরল হাইড্রোজেন তাপমাত্রা) শীতল করা হয়।
2. অপদ্রব্য অপসারণ (Impurity Removal): এই ক্রায়োজেনিক তাপমাত্রায়, নিয়ন (স্ফুটনাঙ্ক -246°C), হাইড্রোজেন (স্ফুটনাঙ্ক -252.9°C) এর মতো অবশিষ্ট অপদ্রব্য এবং নাইট্রোজেন বা মিথেনের যেকোনো অবশিষ্ট চিহ্ন কাঠকয়লা/ছাঁকনির পৃষ্ঠে অধিশোষিত হয়। হিলিয়াম, এর অত্যন্ত নিম্ন স্ফুটনাঙ্কের কারণে, অধিশোষিত না হয়েই এর মধ্য দিয়ে চলে যায়।
3. ফলাফল (Result): এই প্রক্রিয়া 99.999% (5N গ্রেড) এবং এমনকি 99.9999% (6N গ্রেড) এর বেশি বিশুদ্ধতার হিলিয়াম উৎপন্ন করতে পারে।

(চিত্রল বর্ণনা): অধিশোষক পদার্থে ভরা কয়েকটি পাত্রের একটি সারির কল্পনা করুন, যা একটি শীতলকরণ জ্যাকেটে আবদ্ধ যার মধ্য দিয়ে তরল নাইট্রোজেন প্রবাহিত হয়। অশুদ্ধ হিলিয়াম এক প্রান্ত দিয়ে প্রবেশ করে, এবং অতি-বিশুদ্ধ হিলিয়াম অন্য প্রান্ত দিয়ে বেরিয়ে আসে।

মেমব্রেন পৃথকীকরণ

• নীতি: বিশেষায়িত মেমব্রেনগুলি হিলিয়ামের ছোট পারমাণবিক আকার এবং উচ্চ ডিফিউসিভিটির (diffusivity) কারণে এটিকে অন্যান্য গ্যাসের চেয়ে দ্রুততরভাবে বেছে বেছে প্রবেশ করতে দেয়।
• প্রয়োগ: যদিও এটি বাল্ক বিশুদ্ধকরণের জন্য প্রাথমিক পদ্ধতি নয়, তবে মেমব্রেন প্রযুক্তি প্রাক-ঘনত্বকরণ বা বিশুদ্ধতার সূক্ষ্ম-সমন্বয়ের জন্য ব্যবহার করা যেতে পারে, বিশেষত হাইড্রোজেন বা নাইট্রোজেন অপসারণের জন্য।

বিশুদ্ধতার স্তরের সারাংশ:

• অপরিশোধিত হিলিয়াম (Crude Helium): 50-70% He (প্রাথমিক প্রাকৃতিক গ্যাস প্রক্রিয়াকরণ থেকে)।
• গ্রেড A হিলিয়াম (Grade A Helium): 95-98% He (নাইট্রোজেন অপসারণের পর)।
• বাণিজ্যিক হিলিয়াম (Commercial Helium): সাধারণত 99.995% He (আরও ক্রায়োজেনিক অধিশোষণের পর)।
• অতি-উচ্চ বিশুদ্ধতার হিলিয়াম (Ultra-High Purity Helium): 99.999% এবং তার বেশি (বিশেষায়িত প্রয়োগের জন্য)।