নাইট্রোজেন (N) এর শিল্প নিষ্কাশন

প্রাকৃতিক উপস্থিতি ও প্রধান উৎস

নাইট্রোজেন (N) একটি অধাতব মৌল যা প্রধানত গ্যাসীয় অবস্থায় থাকে। এটি ধাতুর মতো ঐতিহ্যবাহী “আকরিক”-এ পাওয়া যায় না।

বায়ুমণ্ডলীয় নাইট্রোজেন (N₂)

• প্রধান উৎস: পৃথিবীর বায়ুমণ্ডলের আয়তন অনুসারে প্রায় 78% হল ডাইনাইট্রোজেন (N₂)। এটি সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ শিল্প উৎস।

অজৈব নাইট্রোজেন যৌগ

• নাইট্রেট: প্রাকৃতিকভাবে বিদ্যমান নাইট্রেট লবণ হিসাবে পাওয়া যায়, যেমন:
  • চিলি সল্টপিটার: সোডিয়াম নাইট্রেট (NaNO₃)
  • ইন্ডিয়ান সল্টপিটার: পটাশিয়াম নাইট্রেট (KNO₃)
  • এগুলি নাইট্রোজেন যৌগের উৎস, তবে সাধারণত মৌলিক N₂ নিষ্কাশনের জন্য নয়।

জৈব নাইট্রোজেন যৌগ

• সমস্ত জীবদেহে (প্রোটিন, নিউক্লিক অ্যাসিড, অ্যামিনো অ্যাসিড) পাওয়া যায়। এগুলি মৌলিক N₂ এর শিল্প উৎস নয়।

বায়ু থেকে নাইট্রোজেনের শিল্প নিষ্কাশন

মৌলিক নাইট্রোজেন (N₂) এর শিল্প নিষ্কাশন বায়ুমণ্ডলীয় বায়ু থেকে এর পৃথকীকরণের উপর দৃষ্টি নিবদ্ধ করে। এই প্রক্রিয়ায় বায়ুর তরলীকরণ এবং এর পরে আংশিক পাতন জড়িত। সবচেয়ে প্রচলিত পদ্ধতি হল লিন্ডে-ফ্রাঙ্কল প্রক্রিয়া বা এর বিভিন্ন রূপ।

1. বায়ুর প্রস্তুতি (প্রাক-চিকিৎসা)

কম তাপমাত্রায় অপদ্রব্যের কঠিনকরণ দ্বারা সৃষ্ট বাধা রোধ করতে বায়ুমণ্ডলীয় বায়ুকে তরলীকরণের আগে অবশ্যই বিশুদ্ধ করতে হবে।

• ধুলো অপসারণ: কণা পদার্থ অপসারণের জন্য বায়ু পরিস্রুত করা হয়।
• কার্বন ডাই অক্সাইড (CO₂) অপসারণ: বায়ু স্ক্রাবারের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত করে CO₂ অপসারণ করা হয় যাতে নিম্নলিখিতগুলি থাকে:
  • কস্টিক সোডা (NaOH) দ্রবণ: 2NaOH(aq) + CO₂(g) \rightarrow Na₂CO₃(aq) + H₂O(l)
  • অথবা, আণবিক চালনীতে শোষণ দ্বারা।
• জলীয় বাষ্প (H₂O) অপসারণ: আর্দ্রতা নিম্নলিখিত উপায়ে অপসারণ করা হয়:
  • জল ঘনীভূত করতে বায়ুকে ঠান্ডা করে।
  • সক্রিয় অ্যালুমিনা (Al₂O₃) বা সিলিকা জেল (SiO₂) এর মতো শুষ্ককারকের মধ্য দিয়ে চালিত করে।
  • আণবিক চালনী ব্যবহার করে।

2. বায়ুর তরলীকরণ

বিশুদ্ধ বায়ুকে জুওল-থমসন প্রভাবের উপর নির্ভর করে তরলীকরণের জন্য বারবার ঠান্ডা ও সংকুচিত করা হয়।

• সংকোচন: বায়ুকে উচ্চ চাপে (যেমন, 100-200 atm) সংকুচিত করা হয়।
• শীতলীকরণ: সংকুচিত বায়ুকে রেফ্রিজারেন্ট দ্বারা অথবা তাপ এক্সচেঞ্জারে পূর্বে ঠান্ডা করা বায়ুকে প্রসারিত করে ঠান্ডা করা হয়।
• প্রসারণ (জুল-থমসন প্রভাব): উচ্চ সংকুচিত, ঠান্ডা বায়ুকে একটি প্রসারণ ভালভের মাধ্যমে দ্রুত প্রসারিত হতে দেওয়া হয়। এই আকস্মিক প্রসারণ তাপমাত্রার উল্লেখযোগ্য পতন ঘটায়।
  • প্রক্রিয়া প্রবাহের বর্ণনা:
    1. পরিস্রুত এবং বিশুদ্ধ বায়ুকে একটি কম্প্রেসার দ্বারা সংকুচিত করা হয়।
    2. উষ্ণ সংকুচিত বায়ুকে আগত ঠান্ডা গ্যাস প্রবাহ দ্বারা তাপ এক্সচেঞ্জারে ঠান্ডা করা হয়।
    3. ইতিমধ্যে ঠান্ডা, প্রসারিত গ্যাসের সাথে তাপ বিনিময়ের ফলে আরও শীতলীকরণ ঘটে।
    4. পূর্ব-ঠান্ডা, উচ্চ-চাপের বায়ু একটি প্রসারণ ভালভের মধ্য দিয়ে যায়, যেখানে জুল-থমসন প্রভাবের কারণে এটি দ্রুত প্রসারিত হয় এবং উল্লেখযোগ্যভাবে ঠান্ডা হয়।
    5. এই পর্যায়ে বায়ুর একটি অংশ তরল হয়। যে গ্যাস তরল হয়নি, তা তাপ এক্সচেঞ্জারের মধ্য দিয়ে ফিরিয়ে এনে আগত সংকুচিত বায়ুকে ঠান্ডা করতে ব্যবহৃত হয় এবং তারপর কম্প্রেসারের মাধ্যমে পুনরায় ব্যবহার করা হয়।
    6. তরল বায়ু তরলীকরণ স্তম্ভের নীচে জমা হয়।

3. তরল বায়ুর আংশিক পাতন (উপাদানগুলির পৃথকীকরণ)

তরল বায়ু, যা তরল নাইট্রোজেন (স্ফুটনাঙ্ক -196 °C), তরল অক্সিজেন (স্ফুটনাঙ্ক -183 °C), এবং তরল আর্গন (স্ফুটনাঙ্ক -186 °C) এর মিশ্রণ, তারপর আংশিক পাতন করা হয়।

• নীতি: পৃথকীকরণ উপাদানগুলির স্ফুটনাঙ্কের পার্থক্যের উপর ভিত্তি করে হয়। নাইট্রোজেন, যার স্ফুটনাঙ্ক সবচেয়ে কম, প্রথমে বাষ্পীভূত হয়।
• পাতন স্তম্ভ: একটি লম্বা ফ্র্যাকশনেটিং কলাম ব্যবহার করা হয়, যা সাধারণত কম তাপমাত্রায় কাজ করে।
  • প্রক্রিয়া প্রবাহের বর্ণনা:
    1. তরল বায়ুকে একটি ফ্র্যাকশনেটিং কলামের প্রায় মাঝখানে প্রবেশ করানো হয়।
    2. তরলটি নিচে নামার সময়, এটি উপরের দিকে ওঠা বাষ্প দ্বারা উত্তপ্ত হয়।
    3. নাইট্রোজেন, অধিক উদ্বায়ী হওয়ায়, অগ্রাধিকারমূলকভাবে বাষ্পীভূত হয় এবং স্তম্ভের শীর্ষে ওঠে।
    4. অক্সিজেন, যার স্ফুটনাঙ্ক বেশি, স্তম্ভের নীচে তরল আকারে ঘনীভূত হয়। আর্গন, যার স্ফুটনাঙ্ক নাইট্রোজেন এবং অক্সিজেনের মাঝামাঝি, একটি মধ্যবর্তী অংশে ঘনীভূত হয়।
    5. বিশুদ্ধ গ্যাসীয় নাইট্রোজেন (N₂) স্তম্ভের শীর্ষ থেকে সংগ্রহ করা হয়।
    6. গ্যাসীয় অক্সিজেন (O₂) নীচ থেকে সংগ্রহ করা হয়।
    7. প্রয়োজনে আরও বিশুদ্ধকরণের জন্য একটি মধ্যবর্তী অংশ থেকে আর্গন সংগ্রহ করা যেতে পারে।

পরিশোধন ও বিশুদ্ধকরণ

ফ্র্যাকশনেটিং কলামের শীর্ষ থেকে প্রাপ্ত নাইট্রোজেন ইতিমধ্যেই খুব বিশুদ্ধ (সাধারণত >99.5%)। আরও উচ্চ বিশুদ্ধতার প্রয়োজনে, অতিরিক্ত পদক্ষেপ গ্রহণ করা যেতে পারে:

• আরও আংশিক পাতন: নাইট্রোজেন গ্যাস বা তরলের পুনঃপাতন স্বল্প পরিমাণে অক্সিজেন বা আর্গন অপসারণ করে বিশুদ্ধতা বাড়াতে পারে।
• অনুঘটকীয় অক্সিজেন অপসারণ (Catalytic Deoxygenation): অতি-উচ্চ বিশুদ্ধ নাইট্রোজেনের (যেমন, 99.999%) জন্য, অল্প পরিমাণ হাইড্রোজেনের উপস্থিতিতে একটি অনুঘটকের (যেমন, প্যালাডিয়াম) উপর দিয়ে নাইট্রোজেন চালিত করে স্বল্প পরিমাণে অক্সিজেন অপসারণ করা যেতে পারে, যা জল তৈরি করে: 2H₂(g) + O₂(g) \rightarrow 2H₂O(g). জল তারপর শোষণ দ্বারা অপসারণ করা হয়।
• শোষণ: অবশিষ্ট স্বল্প পরিমাণে অপদ্রব্য অপসারণের জন্য আণবিক চালনী বা সক্রিয় কাঠকয়লা ব্যবহার করা হয়।

বিশুদ্ধ নাইট্রোজেন তারপর সংকুচিত করে সিলিন্ডারে সংরক্ষণ করা হয় অথবা ইনসুলেটেড ক্রায়োজেনিক ট্যাঙ্কে তরল নাইট্রোজেন হিসাবে পরিবহন করা হয়।