ফসফরাসের (P) ধাতুবিদ্যা এবং শিল্প নিষ্কাশন

১. প্রাকৃতিক উৎস ও প্রধান আকরিক

ফসফরাস অত্যন্ত সক্রিয় এবং প্রকৃতিতে এটি মৌল অবস্থায় পাওয়া যায় না। এটি পৃথিবীর ভূত্বকে যৌগিক অবস্থায়, প্রধানত ফসফেট খনিজ হিসাবে ব্যাপকভাবে ছড়িয়ে আছে।

১.১ প্রধান আকরিকসমূহ

• ফসফোরাইট (রক ফসফেট): এটি সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ আকরিক, যা প্রধানত ট্রাইক্যালসিয়াম ফসফেট দ্বারা গঠিত।
  • রাসায়নিক সংকেত: Ca₃(PO₄)₂
• অ্যাপাটাইট পরিবার: ফসফেট খনিজগুলির একটি গোষ্ঠী যার সাধারণ সংকেত Ca₅(PO₄)₃X, যেখানে X হতে পারে F, Cl, অথবা OH।
  • ফ্লুওরাপ্যাটাইট: Ca₅(PO₄)₃F (সবচেয়ে সাধারণ)
  • ক্লোরাপ্যাটাইট: Ca₅(PO₄)₃Cl
  • হাইড্রোক্সিয়াপ্যাটাইট: Ca₅(PO₄)₃OH (হাড় ও দাঁতের একটি প্রধান উপাদান)

২. আকরিকের ঘনীকরণ

খনি থেকে প্রাপ্ত ফসফেট শিলাতে প্রায়শই অনাকাঙ্ক্ষিত অপদ্রব্য (গ্যাঙ্গ) যেমন সিলিকা, কাদামাটি এবং কার্বনেট থাকে। নিষ্কাশনের জন্য আকরিককে উপযুক্ত করতে এই অপদ্রব্যগুলি অপসারণ করা হয়, যা ফসফেটের পরিমাণ বৃদ্ধি করে।

২.১ ঘনীকরণের পদ্ধতিসমূহ

• ধৌতকরণ ও চূর্ণকরণ: প্রাথমিক ধাপগুলির মধ্যে রয়েছে আকরিকের পিণ্ডগুলিকে ভেঙে ফেলা এবং আলগা মাটির মতো অপদ্রব্য ধুয়ে ফেলা। এটি পরবর্তী প্রক্রিয়াগুলির জন্য কণার আকারও হ্রাস করে।
• ফেনা ভাসানো পদ্ধতি (Froth Flotation): এটি নিম্ন-মানের ফসফেট আকরিককে উন্নত করার একটি সাধারণ পদ্ধতি।
  • সূক্ষ্মভাবে চূর্ণ করা আকরিক জল দিয়ে মিশ্রিত করে একটি স্লারি তৈরি করা হয়।
  • সংগ্রাহক (যেমন, ওলিক অ্যাসিড বা জ্বালানী তেলের মতো ফ্যাটি অ্যাসিড) যোগ করা হয় যাতে ফসফেট কণাগুলিকে বেছে বেছে জল-বিদ্বেষী করা যায়।
  • ফেনা সৃষ্টিকারী উপাদান (যেমন, পাইন তেল, ক্রেসল) যোগ করা হয় ফেনা স্থিতিশীল করার জন্য।
  • স্লুরির মধ্য দিয়ে বাতাস প্রবাহিত করা হয়; ফসফেট কণাগুলি বায়ু বুদবুদের সাথে সংযুক্ত হয় এবং ফেনা হিসাবে পৃষ্ঠে ভেসে ওঠে, যা পরে তুলে নেওয়া হয়। গ্যাঙ্গ (যেমন, সিলিকেট) নিচে বসে যায়।
• মাধ্যাকর্ষণ পৃথকীকরণ (Gravity Separation): ফসফেট আকরিকের জন্য এটি কম ব্যবহৃত হয় কারণ কণাগুলি সূক্ষ্ম এবং কিছু গ্যাঙ্গের ঘনত্ব প্রায়শই একই রকম হয়, তবে নির্দিষ্ট আকরিকের প্রকারের জন্য যেখানে ঘনত্বের পার্থক্য যথেষ্ট, সেখানে এটি ব্যবহার করা যেতে পারে।

৩. অপরিশোধিত ফসফরাসে বিজারণ (শিল্প নিষ্কাশন)

মৌল ফসফরাস (বিশেষত, সাদা ফসফরাস, P₄) শিল্পগতভাবে বৈদ্যুতিক চুল্লি প্রক্রিয়া ব্যবহার করে ঘনীভূত ফসফেট শিলা থেকে নিষ্কাশিত হয়। এই পদ্ধতিতে সিলিকার উপস্থিতিতে কোক দ্বারা ক্যালসিয়াম ফসফেটের বিজারণ ঘটানো হয়।

৩.১ বৈদ্যুতিক চুল্লি প্রক্রিয়া

• নীতি: এই প্রক্রিয়ায় একটি বৈদ্যুতিক চুল্লিতে ঘনীভূত ফসফেট শিলা, সিলিকা (বালি) এবং কোক (কার্বন) এর মিশ্রণকে অত্যন্ত উচ্চ তাপমাত্রায় উত্তপ্ত করা হয়।
• বিক্রিয়কসমূহ:
  • ঘনীভূত ফসফোরাইট: Ca₃(PO₄)₂
  • সিলিকা: SiO₂ (একটি অম্লীয় ফ্লাক্স হিসাবে কাজ করে)
  • কোক: C (বিজারক হিসাবে কাজ করে)
• প্রক্রিয়ার ধাপসমূহ:
  1. এই কাঁচামালগুলির সাবধানে পরিমাপ করা মিশ্রণটি গ্রাফাইট ইলেকট্রোড সজ্জিত একটি বড়, বদ্ধ বৈদ্যুতিক চুল্লিতে অবিচ্ছিন্নভাবে প্রবেশ করানো হয়।
  2. ইলেকট্রোডগুলির মধ্যে বৈদ্যুতিক চাপ তীব্র তাপ উৎপন্ন করে, যা ১৪০০-১৫০০ °C তাপমাত্রায় পৌঁছায়।
  3. এই উচ্চ তাপমাত্রায়, সিলিকা ক্যালসিয়াম ফসফেটের সাথে বিক্রিয়া করে ক্যালসিয়াম সিলিকেট স্ল্যাগ এবং ফসফরাস পেন্টক্সাইড তৈরি করে (যা পরে কোক দ্বারা বিজারিত হয়)। সামগ্রিক বিক্রিয়াটি হল:

     2Ca₃(PO₄)₂(s) + 6SiO₂(s) + 10C(s) → 6CaSiO₃(l) + P₄(g) + 10CO(g)
     

     • SiO₂ এর ভূমিকা: এটি ক্যালসিয়াম ফসফেটের মৌলিক ক্যালসিয়াম অক্সাইড অংশের সাথে মিলিত হয়ে সহজে গলনশীল ক্যালসিয়াম সিলিকেট স্ল্যাগ (CaSiO₃) তৈরি করে, যা ফসফরাস অক্সাইডের চেয়ে কম উদ্বায়ী, এইভাবে ফসফরাসের নির্গমনকে সহজতর করে।
     • C এর ভূমিকা: কোক একটি শক্তিশালী বিজারক হিসাবে কাজ করে, গঠিত ফসফরাস অক্সাইডকে (বা সরাসরি ফসফেটকে) মৌল ফসফরাসে বিজারিত করে।
• উৎপাদিত পদার্থসমূহ:
  • ফসফরাস বাষ্প (P₄): এটি কাঙ্ক্ষিত উৎপাদিত পদার্থ, যা চুল্লির তাপমাত্রায় গ্যাস হিসাবে বিদ্যমান থাকে।
  • কার্বন মনোক্সাইড (CO) গ্যাস: একটি উপজাত, যা প্রায়শই সংগ্রহ করে জ্বালানী হিসাবে ব্যবহার করা হয়।
  • গলিত ক্যালসিয়াম সিলিকেট (CaSiO₃) স্ল্যাগ: একটি উপজাত, যা বিক্রিয়া গ্যাসগুলির চেয়ে ঘন এবং অমিশ্রণীয়, এবং চুল্লির নিচ থেকে নিষ্কাশিত করা হয়।
• ফসফরাস সংগ্রহ:
  • P₄ বাষ্প এবং CO গ্যাসের গরম মিশ্রণটি চুল্লির উপর থেকে টেনে নেওয়া হয়।
  • এই গ্যাসীয় মিশ্রণটিকে তারপর জল-শীতল কনডেনসার বা স্প্রে টাওয়ারের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত করে দ্রুত ঠান্ডা করা হয়।
  • ফসফরাস বাষ্প তরল সাদা ফসফরাসে (P₄) ঘনীভূত হয়, যা বাতাসে এর স্বতঃস্ফূর্ত দহন রোধ করতে জলের নিচে সংগ্রহ করা হয়।

৪. পরিশোধন ও বিশুদ্ধকরণ

বৈদ্যুতিক চুল্লি প্রক্রিয়া থেকে প্রাপ্ত সাদা ফসফরাস সাধারণত অনেক শিল্প প্রয়োগের জন্য যথেষ্ট বিশুদ্ধ। তবে, যদি উচ্চতর বিশুদ্ধতা প্রয়োজন হয় তবে আরও বিশুদ্ধকরণ পদক্ষেপ নেওয়া যেতে পারে।

৪.১ পরিশোধন পদ্ধতিসমূহ

• পাতন: সাদা ফসফরাস বিশুদ্ধ করার সবচেয়ে সাধারণ পদ্ধতি। সাদা ফসফরাসের তুলনামূলকভাবে কম স্ফুটনাঙ্ক (২৮০.৫ °C) রয়েছে। অপরিশোধিত সাদা ফসফরাসকে উত্তপ্ত করে এটিকে বাষ্পীভূত করা যায় এবং তারপর পুনরায় ঘনীভূত করা যায়, যা এটিকে অ-উদ্বায়ী অপদ্রব্য থেকে আলাদা করে।
• রাসায়নিক ট্রিটমেন্ট: আর্সেনিকের মতো ট্রেস অপদ্রব্য (প্রায়শই আর্সেনিয়াস অক্সাইড, As₂O₃ হিসাবে উপস্থিত থাকে) কখনও কখনও রাসায়নিক পদ্ধতি দ্বারা অপসারণ করা যেতে পারে, যদিও পাতন সাধারণত আরও কার্যকর। উদাহরণস্বরূপ, কিছু জারক পদার্থ আর্সেনিক যৌগগুলিকে কম উদ্বায়ী আকারে রূপান্তরিত করতে পারে। তবে, বাণিজ্যিক সাদা ফসফরাসের জন্য, কাঁচামালের বিশুদ্ধতার সতর্ক নিয়ন্ত্রণ এবং কার্যকর পাতন সাধারণত যথেষ্ট।