অক্সিজেন (O) এর শিল্প উৎপাদন

অক্সিজেন (O) একটি অধাতব মৌল এবং এটি আদর্শ তাপমাত্রা ও চাপে একটি গ্যাসীয় উপাদান। এর শিল্প উৎপাদনে আকরিক থেকে ধাতু নিষ্কাশনের মতো ধাতুবিদ্যাগত প্রক্রিয়া জড়িত নয়। এর পরিবর্তে, এটি বায়ু এবং জলের মতো সহজলভ্য উৎস থেকে উৎপাদিত হয়।

প্রাকৃতিক উপস্থিতি

অক্সিজেন ভরের দিক থেকে পৃথিবীর ভূত্বকের সবচেয়ে প্রাচুর্যপূর্ণ মৌল, যা বিভিন্ন যৌগ গঠন করে, এবং আয়তনের দিক থেকে বায়ুমণ্ডলে দ্বিতীয় সর্বাধিক প্রাচুর্যপূর্ণ গ্যাস।

• বায়ুমণ্ডল: আয়তনের প্রায় 21% দ্বি-পরমাণুক অক্সিজেন (O₂) হিসাবে।
• জলমণ্ডল: জলের (H₂O) একটি প্রধান উপাদান।
• শিলামণ্ডল: অসংখ্য অক্সাইড খনিজে (যেমন, সিলিকেট, কার্বনেট, আয়রন অক্সাইড) উপস্থিত থাকে। তবে, অক্সিজেন নিষ্কাশনের জন্য ধাতুবিদ্যাগত অর্থে এগুলোকে “আকরিক” হিসাবে বিবেচনা করা হয় না।

শিল্প উৎপাদন পদ্ধতি

অক্সিজেন পাওয়ার প্রধান শিল্প পদ্ধতিগুলি হলো:

1. তরল বায়ুর আংশিক পাতন (ক্রায়োজেনিক বায়ু পৃথকীকরণ)

উচ্চ-বিশুদ্ধ অক্সিজেন, নাইট্রোজেন এবং আর্গন বৃহৎ পরিসরে উৎপাদনের জন্য এটি সবচেয়ে সাধারণ এবং লাভজনক পদ্ধতি।

প্রক্রিয়া ধাপসমূহ:

1. বায়ু প্রাক-চিকিৎসা:

   • বায়ুমণ্ডলীয় বায়ু গ্রহণ করা হয় এবং ধুলিকণা অপসারণের জন্য ফিল্টার করা হয়।
   • তারপর এটি উচ্চ চাপে (সাধারণত 5-10 MPa) সংকুচিত করা হয়।
   • সংকুচিত বায়ু আণবিক চালনী বা সক্রিয় অ্যালুমিনা ধারণকারী অধিশোষকগুলির মধ্য দিয়ে প্রবাহিত করা হয় কার্বন ডাই অক্সাইড (CO₂) এবং জলীয় বাষ্প (H₂O) অপসারণের জন্য। এই অপদ্রব্যগুলি ক্রায়োজেনিক তাপমাত্রায় জমে যাবে, যা সরঞ্জামগুলিকে অবরুদ্ধ করবে।

2. বায়ু তরলীকরণ:

   • পরিশোধিত, সংকুচিত বায়ু তারপর তাপ এক্সচেঞ্জারের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত করে উল্লেখযোগ্যভাবে ঠান্ডা করা হয়, প্রায়শই পাতন প্রক্রিয়া থেকে প্রাপ্ত ঠান্ডা পণ্যগুলি (নাইট্রোজেন এবং অক্সিজেন) ব্যবহার করে।
   • আরও শীতলীকরণ এবং প্রসারণ (যেমন, একটি জুল-থমসন প্রসারণ যন্ত্র বা প্রসারণ টারবাইনের মাধ্যমে) বায়ুকে তরল করে তোলে। তরল বায়ু প্রধানত তরল নাইট্রোজেন (স্ফুটনাঙ্ক -196 °C) এবং তরল অক্সিজেনের (স্ফুটনাঙ্ক -183 °C) একটি মিশ্রণ।

3. আংশিক পাতন:

   • তরল বায়ুকে একটি আংশিক পাতন কলামে (সাধারণত একটি ডবল কলাম সিস্টেম: উচ্চ-চাপ এবং নিম্ন-চাপ কলাম) প্রবেশ করানো হয়।
   • উচ্চ-চাপ কলাম: তরল বায়ু এই কলামে প্রবেশ করে। নাইট্রোজেন, যার স্ফুটনাঙ্ক কম (-196 °C), আরও সহজে বাষ্পীভূত হয় এবং উপরে ওঠে, যখন অক্সিজেন, যার স্ফুটনাঙ্ক বেশি (-183 °C), তরল দশায় থাকতে চায় এবং নিচে জমা হয়। মাঝখান থেকে একটি আর্গন-সমৃদ্ধ অংশ বের করা যেতে পারে।
   • নিম্ন-চাপ কলাম: উচ্চ-চাপ কলাম থেকে আংশিকভাবে পৃথক করা প্রবাহগুলিকে নিম্ন-চাপ কলামে আরও পৃথক করা হয়। তরল অক্সিজেন (সাধারণত 99.5% বিশুদ্ধ) নিচে জমা হয়, যখন গ্যাসীয় নাইট্রোজেন (99.99% বিশুদ্ধ) উপর থেকে নির্গত হয়। প্রয়োজন হলে আরও বিশুদ্ধকরণের পর নিম্ন-চাপ কলামের উপর থেকে গ্যাসীয় অক্সিজেনও বের করা যেতে পারে।

বিশুদ্ধতা এবং প্রয়োগ:

• এই পদ্ধতিতে উৎপাদিত অক্সিজেন 99.5% এর বেশি বিশুদ্ধতা অর্জন করতে পারে।
• ইস্পাত তৈরি, রাসায়নিক সংশ্লেষণ, চিকিৎসা অ্যাপ্লিকেশন, ঢালাই এবং রকেট চালনায় ব্যবহৃত হয়।

2. জলের তড়িৎ বিশ্লেষণ

এই পদ্ধতিটি ছোট আকারের উৎপাদনের জন্য বা যেখানে উচ্চ বিশুদ্ধতা প্রয়োজন এবং বিদ্যুৎ সহজলভ্য ও সস্তা সেখানে উপযুক্ত।

নীতি:

জল (H₂O) এর মধ্য দিয়ে বৈদ্যুতিক প্রবাহ চালনা করে হাইড্রোজেন গ্যাস (H₂) এবং অক্সিজেন গ্যাস (O₂) এ বিয়োজিত হয়।

$2H_2O(l) \xrightarrow\{\text\{Electrical energy\}\} 2H_2(g) + O_2(g)$

প্রক্রিয়া সেটআপ:

• একটি ইলেক্ট্রোলাইটিক কোষে সাধারণত দুটি নিষ্ক্রিয় তড়িৎদ্বার (যেমন, প্ল্যাটিনাম, নিকেল বা স্টেইনলেস স্টিল) একটি জলীয় ইলেক্ট্রোলাইটে নিমজ্জিত থাকে।
• ইলেক্ট্রোলাইট প্রায়শই একটি অ্যাসিডের (যেমন, সালফিউরিক অ্যাসিড) বা একটি ক্ষারের (যেমন, পটাশিয়াম হাইড্রোক্সাইড) দ্রবণ হয়, যা জলের বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা বাড়ায়।

তড়িৎদ্বার বিক্রিয়া:

• অ্যানোডে (ধনাত্মক তড়িৎদ্বার): জারণ ঘটে এবং অক্সিজেন গ্যাস উৎপন্ন হয়। $2H_2O(l) \longrightarrow O_2(g) + 4H^+(aq) + 4e^-$ (অ্যাসিডিক মাধ্যমে) অথবা $4OH^-(aq) \longrightarrow O_2(g) + 2H_2O(l) + 4e^-$ (ক্ষারীয় মাধ্যমে)

• ক্যাথোডে (ঋণাত্মক তড়িৎদ্বার): বিজারণ ঘটে এবং হাইড্রোজেন গ্যাস উৎপন্ন হয়। $4H^+(aq) + 4e^- \longrightarrow 2H_2(g)$ (অ্যাসিডিক মাধ্যমে) অথবা $4H_2O(l) + 4e^- \longrightarrow 2H_2(g) + 4OH^-(aq)$ (ক্ষারীয় মাধ্যমে)

বিশুদ্ধতা এবং প্রয়োগ:

• তড়িৎ বিশ্লেষণের মাধ্যমে উৎপাদিত অক্সিজেন সাধারণত খুব বিশুদ্ধ (99.999% পর্যন্ত), যা বিশেষ অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য উপযুক্ত যেখানে উচ্চ বিশুদ্ধতা অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ।
• চিকিৎসা ও ফার্মাসিউটিক্যাল শিল্পে, গবেষণাগারে এবং জ্বালানি কোষে একটি উপাদান হিসাবে ব্যবহৃত হয়।

সংরক্ষণ ও পরিবহন

শিল্প অক্সিজেন বিভিন্ন আকারে সংরক্ষণ ও পরিবহন করা হয়:

• সংকুচিত গ্যাস: উচ্চ-চাপের ইস্পাত সিলিন্ডারে (গ্যাসীয় অক্সিজেনের জন্য, O₂) 200 বার পর্যন্ত চাপে।
• তরল অক্সিজেন (LOX): বৃহৎ আকারের সংরক্ষণ ও পরিবহনের জন্য ইনসুলেটেড ক্রায়োজেনিক ট্যাঙ্কে (ডিওয়ার), কারণ তরল অক্সিজেন গ্যাসীয় অক্সিজেনের চেয়ে উল্লেখযোগ্যভাবে কম আয়তন দখল করে।
• সাইটে উৎপাদন: খুব বড় ভোক্তাদের জন্য, অক্সিজেন উৎপাদন প্ল্যান্ট (ক্রায়োজেনিক বা PSA/VPSA) প্রায়শই সরাসরি ব্যবহারকারীর সুবিধার্থে তৈরি করা হয়।