হাইড্রোজেন (H) এর ধাতুবিদ্যা এবং শিল্প নিষ্কাশন

প্রাকৃতিক উপস্থিতি এবং প্রাথমিক উৎস

হাইড্রোজেন মহাবিশ্বের সবচেয়ে প্রাচুর্যপূর্ণ রাসায়নিক উপাদান। তবে পৃথিবীতে এটি প্রায় একচেটিয়াভাবে যৌগিক রূপে বিদ্যমান। ধাতুগুলির থেকে ভিন্ন, হাইড্রোজেন ঐতিহ্যগত অর্থে একটি “আকরিক” হিসাবে পাওয়া যায় না। শিল্প নিষ্কাশনের জন্য এর প্রাথমিক উৎসগুলি হলো হাইড্রোজেন ধারণকারী যৌগসমূহ।

জল (H₂O)

• বর্ণনা: পৃথিবীতে হাইড্রোজেনের সবচেয়ে প্রাচুর্যপূর্ণ এবং বিস্তৃত যৌগ।
• লভ্যতা: সমুদ্র, নদী, হ্রদ এবং বায়ুমণ্ডলীয় আর্দ্রতায় পাওয়া যায়।
• গুরুত্ব: এর সর্বব্যাপী প্রকৃতির কারণে অনেক শিল্প হাইড্রোজেন উৎপাদন প্রক্রিয়ার, বিশেষ করে ইলেক্ট্রোলাইসিসের, একটি মূল কাঁচামাল।

হাইড্রোকার্বন

• বর্ণনা: কার্বন এবং হাইড্রোজেন পরমাণু নিয়ে গঠিত জৈব যৌগ।
• উদাহরণ: প্রাকৃতিক গ্যাস (মূলত মিথেন, CH₄), পেট্রোলিয়াম (বিভিন্ন হাইড্রোকার্বনের মিশ্রণ) এবং কয়লা (হাইড্রোজেন ধারণকারী একটি কার্বোনাসিয়াস উপাদান)।
• গুরুত্ব: বর্তমানে এগুলি অপেক্ষাকৃত কম খরচ এবং প্রতিষ্ঠিত নিষ্কাশন/প্রক্রিয়াকরণ পরিকাঠামোর কারণে বিশ্বব্যাপী হাইড্রোজেনের প্রধান শিল্প উৎস।

অ্যাসিড এবং ক্ষার

• বর্ণনা: হাইড্রোজেন সাধারণ অজৈব অ্যাসিড (যেমন, HCl, H₂SO₄) এবং জৈব অ্যাসিডের একটি উপাদান, এছাড়াও জলে উপস্থিত থাকে, যা অ্যাসিড-ক্ষার রসায়নে জড়িত।
• গুরুত্ব: হাইড্রোজেন উপস্থিত থাকলেও, এই যৌগগুলি সাধারণত নিবেদিত হাইড্রোজেন উৎপাদনের জন্য প্রাথমিক উৎস হিসাবে ব্যবহৃত হয় না, তবে নির্দিষ্ট রাসায়নিক উৎপাদন প্রক্রিয়াগুলিতে উপজাত হিসাবে হাইড্রোজেন তৈরি করতে পারে।

বায়োমাস এবং জৈব বর্জ্য

• বর্ণনা: উদ্ভিদ এবং প্রাণী থেকে প্রাপ্ত নবায়নযোগ্য জৈব পদার্থ, জটিল জৈব অণুতে হাইড্রোজেন ধারণ করে।
• গুরুত্ব: গ্যাসিফিকেশন, পাইরোলাইসিস বা জৈবিক প্রক্রিয়ার মাধ্যমে হাইড্রোজেন উৎপাদনের একটি টেকসই উৎস হিসাবে আবির্ভূত হচ্ছে।

প্রস্তুতি এবং শিল্প উৎপাদন পদ্ধতি

এই বিভাগে হাইড্রোজেন গ্যাস (H₂) এর প্রাথমিক উৎস থেকে তৈরির প্রধান শিল্প প্রক্রিয়াগুলি তুলে ধরা হয়েছে। “আকরিকের ঘনত্ব” ধারণাটি হাইড্রোজেনের ক্ষেত্রে প্রযোজ্য নয়, কারণ এটি একটি ঘনীভূত খনিজ থেকে নিষ্কাশিত না হয়ে যৌগ থেকে রাসায়নিক বিক্রিয়ার মাধ্যমে উৎপাদিত হয়।

1. জলের ইলেক্ট্রোলাইসিস

• নীতি: বৈদ্যুতিক শক্তি ব্যবহার করে জলকে হাইড্রোজেন এবং অক্সিজেন গ্যাসে বিভক্তকরণ।
• বিক্রিয়া: 2H₂O(l) \rightarrow 2H₂(g) + O₂(g)
• অনুঘটক/শর্তাবলী: বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা বাড়ানোর জন্য একটি ইলেক্ট্রোলাইট (যেমন, পটাসিয়াম হাইড্রক্সাইড, সোডিয়াম হাইড্রক্সাইড, বা সালফিউরিক অ্যাসিড) প্রয়োজন। সাধারণত মাঝারি তাপমাত্রায় পরিচালিত হয়।
• সুবিধা: উচ্চ-বিশুদ্ধ হাইড্রোজেন উৎপন্ন করে, এবং যদি বিদ্যুৎ নবায়নযোগ্য উৎস (যেমন, সৌর, বায়ু) থেকে আসে, তবে এটি শূন্য গ্রিনহাউস গ্যাস নির্গমন সহ “সবুজ হাইড্রোজেন” তৈরি করে।
• অসুবিধা: শক্তি-নিবিড়, যদি বিদ্যুৎ জীবাশ্ম জ্বালানি থেকে উৎপন্ন হয় তবে অর্থনৈতিকভাবে কম প্রতিযোগিতামূলক।

ডায়াগ্রাম বর্ণনা: ইলেক্ট্রোলাইটিক কোষ

জল বিভাজনের জন্য একটি ইলেক্ট্রোলাইটিক কোষে সাধারণত দুটি নিষ্ক্রিয় ইলেকট্রোড (যেমন, নিকেল বা প্ল্যাটিনাম) একটি জলীয় ইলেক্ট্রোলাইট দ্রবণে নিমজ্জিত থাকে। একটি ডাইরেক্ট কারেন্ট (DC) পাওয়ার সাপ্লাই সংযুক্ত থাকে, যেখানে ধনাত্মক টার্মিনাল অ্যানোডের সাথে এবং ঋণাত্মক টার্মিনাল ক্যাথোডের সাথে সংযুক্ত থাকে। হাইড্রোজেন গ্যাস (H₂) ক্যাথোড থেকে নির্গত হয় এবং সংগ্রহ করা হয়, যখন অক্সিজেন গ্যাস (O₂) অ্যানোড থেকে নির্গত হয় এবং সংগ্রহ করা হয়। উৎপন্ন গ্যাস এবং ইলেক্ট্রোলাইট মিশ্রিত হওয়া রোধ করার জন্য প্রায়শই একটি বিভাজক (যেমন, একটি ডায়াফ্রাম বা মেমব্রেন) ব্যবহার করা হয়।

2. হাইড্রোকার্বনের স্টিম রিফর্মিং (প্রভাবশালী শিল্প পদ্ধতি)

• নীতি: উচ্চ তাপমাত্রায় একটি অনুঘটকের উপর হাইড্রোকার্বনের (সবচেয়ে সাধারণত প্রাকৃতিক গ্যাস) বাষ্পের সাথে বিক্রিয়া করে হাইড্রোজেন এবং কার্বন অক্সাইড উৎপন্ন করা।
• উৎস: প্রাথমিকভাবে প্রাকৃতিক গ্যাস (মিথেন, CH₄)।
• ধাপসমূহ:
  • ক. স্টিম মিথেন রিফর্মিং (SMR): CH₄(g) + H₂O(g) \rightleftharpoons CO(g) + 3H₂(g) (তাপগ্রাহী)
    • শর্তাবলী: উচ্চ তাপমাত্রা (700-1100°C), সাধারণত নিকেল-ভিত্তিক অনুঘটক ব্যবহার করে।
    • উৎপাদন: “সিনগ্যাস” (সংশ্লেষণ গ্যাস) তৈরি করে, যা প্রাথমিকভাবে কার্বন মনোক্সাইড এবং হাইড্রোজেনের মিশ্রণ।
  • খ. ওয়াটার-গ্যাস শিফট বিক্রিয়া (WGSR): CO(g) + H₂O(g) \rightleftharpoons CO₂(g) + H₂(g) (তাপউৎপাদী)
    • শর্তাবলী: এই বিক্রিয়াটি দুটি পর্যায়ে সম্পাদিত হয়:
      • উচ্চ-তাপমাত্রা শিফট (HTS): 300-400°C, সাধারণত একটি আয়রন-ক্রোমিয়াম অনুঘটক ব্যবহার করে।
      • নিম্ন-তাপমাত্রা শিফট (LTS): 180-250°C, সাধারণত একটি কপার-জিঙ্ক-অ্যালুমিনা অনুঘটক ব্যবহার করে।
    • উদ্দেশ্য: SMR-এ উৎপাদিত কার্বন মনোক্সাইড (CO) কে অতিরিক্ত হাইড্রোজেন এবং কার্বন ডাই অক্সাইডে রূপান্তরিত করে, যখন CO এর পরিমাণ হ্রাস করে।
  • সামগ্রিক বিক্রিয়া (মিথেন থেকে): CH₄(g) + 2H₂O(g) \rightarrow CO₂(g) + 4H₂(g)
• সুবিধা: অত্যন্ত সাশ্রয়ী, সুপ্রতিষ্ঠিত প্রযুক্তি, বৃহৎ আকারে উৎপাদন সক্ষম।
• অসুবিধা: উল্লেখযোগ্য কার্বন ডাই অক্সাইড (CO₂) নির্গমন ঘটায় (“ধূসর হাইড্রোজেন”)। “নীল হাইড্রোজেন” উৎপাদনের জন্য কার্বন ক্যাপচার এবং স্টোরেজ (CCS) প্রযুক্তির প্রয়োজন।

ডায়াগ্রাম বর্ণনা: স্টিম রিফর্মিং প্ল্যান্ট

একটি সাধারণ SMR প্ল্যান্টে একটি রিফর্মার ফার্নেস থাকে যেখানে প্রাকৃতিক গ্যাস এবং বাষ্পের একটি প্রাক-উত্তপ্ত মিশ্রণ উচ্চ তাপমাত্রায় অনুঘটক-পূর্ণ টিউবগুলির উপর বিক্রিয়া করে। রিফর্মার থেকে গরম সিনগ্যাস তখন তাপ পুনরুদ্ধার ইউনিটগুলির মধ্য দিয়ে যায় এবং CO থেকে হাইড্রোজেন উৎপাদন সর্বাধিক করার জন্য শিফট কনভার্টারগুলির (HTS এবং LTS) একটি সারিতে প্রবেশ করে। শিফট বিক্রিয়াগুলির পরে, CO₂ সাধারণত শোষণ ইউনিট (যেমন, অ্যামাইন স্ক্রাবিং) ব্যবহার করে গ্যাস প্রবাহ থেকে অপসারণ করা হয়। অবশিষ্ট হাইড্রোজেন-সমৃদ্ধ গ্যাস তখন আরও বিশুদ্ধকরণ প্রক্রিয়ার মধ্য দিয়ে যায়।

3. কয়লা গ্যাসিফিকেশন

• নীতি: উচ্চ তাপমাত্রা এবং চাপে বাষ্প এবং অক্সিজেন (বা বায়ু) এর সাথে কয়লার বিক্রিয়া।
• বিক্রিয়া: C(s) + H₂O(g) \rightarrow CO(g) + H₂(g) (সরলীকৃত উপস্থাপনা)
• শর্তাবলী: উচ্চ তাপমাত্রা (সাধারণত >800°C), প্রায়শই উচ্চ চাপ।
• উৎপাদন: সিনগ্যাস উৎপন্ন করে, যা তখন ওয়াটার-গ্যাস শিফট বিক্রিয়া এবং পরবর্তী বিশুদ্ধকরণ ধাপগুলির মধ্য দিয়ে যায়, SMR-এর মতোই।
• সুবিধা: প্রচুর বৈশ্বিক কয়লা মজুদ ব্যবহার করে।
• অসুবিধা: উল্লেখযোগ্য CO₂ এবং অন্যান্য দূষণকারী নির্গমন ঘটায় (যেমন, সালফার যৌগ, কণা); উচ্চ মূলধন এবং অপারেটিং খরচ।

4. ক্লোর-ক্ষার প্রক্রিয়া থেকে উপজাত

• নীতি: সোডিয়াম ক্লোরাইড (লবণাক্ত জল) দ্রবণের ইলেক্ট্রোলাইসিস করে কস্টিক সোডা, ক্লোরিন এবং হাইড্রোজেন উৎপাদন করা।
• বিক্রিয়া: 2NaCl(aq) + 2H₂O(l) \rightarrow 2NaOH(aq) + Cl₂(g) + H₂(g)
• শর্তাবলী: বিশেষায়িত ইলেক্ট্রোলাইটিক কোষগুলিতে (যেমন, মেমব্রেন সেল, ডায়াফ্রাম সেল) পরিচালিত হয়।
• গুরুত্ব: হাইড্রোজেন সোডিয়াম হাইড্রক্সাইড (NaOH) এবং ক্লোরিন (Cl₂) এর পাশাপাশি একটি মূল্যবান সহ-পণ্য হিসাবে উৎপন্ন হয়, যা সামগ্রিক প্রক্রিয়া অর্থনীতির উন্নতিতে অবদান রাখে।
• অসুবিধা: হাইড্রোজেন উৎপাদনের হার কস্টিক সোডা এবং ক্লোরিনের চাহিদার সাথে অভ্যন্তরীণভাবে সংযুক্ত, যা এর স্বতন্ত্র উৎপাদনকে সীমিত করে।

হাইড্রোজেনের শোধন এবং বিশুদ্ধকরণ

শিল্প পদ্ধতি দ্বারা উৎপাদিত হাইড্রোজেন প্রায়শই অশুদ্ধ থাকে, যা উৎস এবং উৎপাদন পদ্ধতির উপর নির্ভর করে CO, CO₂, H₂O, CH₄, N₂, এবং H₂S-এর মতো দূষক ধারণ করে। বিভিন্ন প্রয়োগের জন্য (যেমন, জ্বালানি কোষ, অ্যামোনিয়া সংশ্লেষণ, সেমিকন্ডাক্টর উৎপাদন) নির্দিষ্ট বিশুদ্ধতার প্রয়োজনীয়তা পূরণের জন্য বিশুদ্ধকরণ অপরিহার্য।

1. প্রেসার সুইং অ্যাডসর্পশন (PSA)

• নীতি: একটি ভৌত শোষণ প্রক্রিয়া যেখানে উচ্চ চাপে কঠিন শোষক পদার্থ (যেমন, সক্রিয় কার্বন, আণবিক চালনী, অ্যালুমিনা) এর উপর অমেধ্যগুলি বেছে বেছে শোষিত হয়, এরপর কম চাপে ডিসর্পশন হয়।
• প্রক্রিয়া: অশুদ্ধ হাইড্রোজেন গ্যাস একাধিক অ্যাডসরবার বেডের মধ্য দিয়ে একটি চক্রাকার পদ্ধতিতে প্রবাহিত হয়। হাইড্রোজেন, দুর্বলভাবে শোষিত হওয়ায়, প্রবাহিত হয়, যখন অমেধ্যগুলি শোষক দ্বারা ধরে রাখা হয়। তখন স্যাচুরেটেড বেডকে চাপমুক্ত করা হয় শোষিত অমেধ্যগুলি মুক্ত করার জন্য।
• অর্জনযোগ্য বিশুদ্ধতা: অত্যন্ত উচ্চ বিশুদ্ধতার হাইড্রোজেন (সাধারণত 99.999% এবং তার বেশি) উৎপাদনে সক্ষম।
• প্রয়োগ: স্টিম রিফর্মার, কয়লা গ্যাসিফায়ার এবং রিফাইনারি অফ-গ্যাস থেকে হাইড্রোজেন বিশুদ্ধ করতে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়।

ডায়াগ্রাম বর্ণনা: PSA ইউনিট

একটি সাধারণ PSA ইউনিটে একাধিক সমান্তরাল শোষণ কলাম (যেমন, 2 থেকে 12) থাকে যা বিভিন্ন অমেধ্য অপসারণের জন্য উপযুক্ত নির্দিষ্ট শোষক পদার্থ দিয়ে প্যাক করা হয়। শোষণ পর্বের সময়, কাঁচা হাইড্রোজেন উচ্চ চাপে একটি কলামে প্রবেশ করে, এবং অমেধ্যগুলি শোষক দ্বারা আটকে যায়, যখন বিশুদ্ধ হাইড্রোজেন নির্গত হয়। একবার একটি বেড স্যাচুরেটেড হয়ে গেলে, প্রবাহ অন্য কলামে স্থানান্তরিত হয়, এবং স্যাচুরেটেড বেডকে চাপমুক্ত করা হয় (পরিশোধিত) অমেধ্যগুলি মুক্ত করার জন্য পরবর্তী শোষণ চক্রের জন্য এটিকে পুনরায় চাপযুক্ত করার আগে।

2. ক্রায়োজেনিক বিশুদ্ধকরণ (তরলীকরণ এবং ভগ্নাংশ পাতন)

• নীতি: গ্যাসের মিশ্রণের উপাদানগুলিকে তাদের ভিন্ন স্ফুটনাঙ্কের ভিত্তিতে বেছে বেছে ঘনীভূত এবং পৃথক করার জন্য খুব কম তাপমাত্রা ব্যবহার করে। হাইড্রোজেনের স্ফুটনাঙ্ক অসাধারণভাবে কম (-253°C)।
• প্রক্রিয়া: অশুদ্ধ গ্যাসের মিশ্রণকে সংকুচিত, শীতল এবং বারবার প্রসারিত করা হয় যাতে উচ্চ স্ফুটনাঙ্কের অমেধ্যগুলি (যেমন, মিথেন, কার্বন মনোক্সাইড, নাইট্রোজেন) তরল করার জন্য যথেষ্ট কম তাপমাত্রা অর্জন করা যায়। হাইড্রোজেন প্রায়শই গ্যাসীয় থাকে বা তরলীকরণের জন্য আরও শীতল করা যেতে পারে।
• প্রয়োগ: রিফাইনারি অফ-গ্যাস থেকে হাইড্রোজেনের বৃহৎ আকারের বিশুদ্ধকরণের জন্য বা তরল হাইড্রোজেন উৎপাদনের জন্য ব্যবহৃত হয়।
• অসুবিধা: রেফ্রিজারেশন এবং ক্রায়োজেনিক তাপমাত্রা বজায় রাখার জন্য উচ্চ শক্তি খরচ প্রয়োজন।

3. অনুঘটকীয় রূপান্তর

• নীতি: অনুঘটক ব্যবহার করে নির্দিষ্ট অমেধ্যগুলির রাসায়নিক রূপান্তর যা আরও সহজে অপসারণযোগ্য বা কম ক্ষতিকারক যৌগ তৈরি করে।
• উদাহরণ:
  • মিথেনেশন: CO(g) + 3H₂(g) \rightarrow CH₄(g) + H₂O(g) অথবা CO₂(g) + 4H₂(g) \rightarrow CH₄(g) + 2H₂O(g)
    • অনুঘটক: সাধারণত নিকেল বা রুথেনিয়াম।
    • উদ্দেশ্য: কার্বন মনোক্সাইড এবং কার্বন ডাই অক্সাইড (যা নির্দিষ্ট অনুঘটকের জন্য বিষ হিসাবে কাজ করতে পারে, যেমন জ্বালানি কোষে) কে মিথেন এবং জলে রূপান্তরিত করে। উৎপাদিত মিথেন তখন PSA বা অন্যান্য পদ্ধতির মাধ্যমে অপসারণ করা যেতে পারে।
  • নির্বাচনী জারণ: CO(g) + 1/2O₂(g) \rightarrow CO₂(g)
    • অনুঘটক: প্রায়শই প্ল্যাটিনাম বা প্যালাডিয়াম।
    • উদ্দেশ্য: অবশিষ্ট CO কে CO₂ তে রূপান্তরিত করে একটি ছোট, সাবধানে নিয়ন্ত্রিত অক্সিজেন ব্যবহার করে, বিশেষ করে জ্বালানি কোষের প্রয়োগের জন্য গুরুত্বপূর্ণ যেখানে CO এর ঘনত্বকে প্রতি মিলিয়ন (ppm) স্তরে কমাতে হবে।

4. মেমব্রেন বিভাজন

• নীতি: নির্বাচনী প্রবেশযোগ্য মেমব্রেন (যেমন, পলিমারিক বা প্যালাডিয়াম অ্যালয় মেমব্রেন) ব্যবহার করে যা হাইড্রোজেন অণুগুলিকে অন্যান্য গ্যাস অণুগুলির তুলনায় উল্লেখযোগ্যভাবে উচ্চ হারে প্রবাহিত হতে দেয়।
• প্রক্রিয়া: অশুদ্ধ হাইড্রোজেন গ্যাস মেমব্রেনের একপাশে নির্দেশিত হয়, এবং বিশুদ্ধ হাইড্রোজেন আংশিক চাপের পার্থক্যের দ্বারা চালিত হয়ে অন্য পাশ দিয়ে প্রবেশ করে।
• সুবিধা: তুলনামূলকভাবে সহজ, কমপ্যাক্ট, এবং নির্দিষ্ট পৃথকীকরণ কাজের জন্য শক্তি-সাশ্রয়ী হতে পারে।
• অসুবিধা: অর্জনযোগ্য বিশুদ্ধতা মেমব্রেন উপাদান এবং অপারেটিং শর্তের উপর heavily নির্ভর করে; PSA এর তুলনায় অতি-উচ্চ বিশুদ্ধতার প্রয়োজনীয়তার জন্য সাধারণত কম কার্যকর।