সোডিয়ামের (Na) ধাতুবিদ্যা এবং শিল্প নিষ্কাশন

প্রাকৃতিক উপস্থিতি ও প্রধান আকরিক

সোডিয়াম একটি অত্যন্ত সক্রিয় ক্ষার ধাতু এবং তাই প্রকৃতিতে এর মুক্ত, মৌলিক অবস্থা পাওয়া যায় না। এটি সর্বদা বিভিন্ন খনিজ পদার্থে এবং সমুদ্রের জলে দ্রবীভূত অবস্থায় যৌগিক রূপে থাকে।

সোডিয়াম ক্লোরাইড (সাধারণ লবণ বা হ্যালাইট): NaCl (শিলা লবণ জমা হিসেবে এবং সমুদ্রের জলে দ্রবীভূত অবস্থায় পাওয়া যায়)। এটি শিল্প নিষ্কাশনের জন্য প্রাথমিক উৎস।
সোডিয়াম কার্বনেট (ধোয়ার সোডা বা ট্রোনা): Na₂CO₃·10H₂O (ধোয়ার সোডা) অথবা Na₂CO₃·NaHCO₃·2H₂O (ট্রোনা)।
সোডিয়াম নাইট্রেট (চিলি সল্টপিটার): NaNO₃।
সোডিয়াম সালফেট (গ্লোবার সল্ট): Na₂SO₄·10H₂O।
বোরাক্স: Na₂B₄O₇·10H₂O।
ক্রায়োলাইট: Na₃AlF₆।

আকরিকের ঘনীকরণ

সোডিয়ামের শিল্প নিষ্কাশনের জন্য, প্রাথমিক আকরিক হল সোডিয়াম ক্লোরাইড (NaCl)। ঘনীকরণ পদ্ধতি উৎসের উপর নির্ভর করে:

সমুদ্রের জল থেকে: সমুদ্রের জলে ভর অনুসারে প্রায় 2.7% NaCl থাকে। সৌর বাষ্পীভবনের মাধ্যমে ঘনীকরণ করা হয়, যার ফলে অপরিশোধিত লবণের স্ফটিকীকরণ ঘটে।
শিলা লবণের স্তর থেকে: শিলা লবণ হল NaCl এর একটি খনিজ রূপ যা সরাসরি ভূগর্ভস্থ স্তর থেকে খনন করা হয়। এটি প্রায়শই বেশ বিশুদ্ধ থাকে, নিষ্কাশন প্রক্রিয়ায় ব্যবহারের আগে ন্যূনতম বা কোনো অতিরিক্ত ঘনীকরণ ধাপের প্রয়োজন হয় না।
অপরিশোধিত লবণের বিশুদ্ধকরণ: সমুদ্রের জল বা খনি থেকে প্রাপ্ত অপরিশোধিত লবণে MgCl₂ এবং CaCl₂ এর মতো অপদ্রব্য থাকতে পারে। এগুলি অত্যন্ত আর্দ্রতা শোষণকারী এবং লবণকে আর্দ্রবিগলিত (deliquescent) করে তোলে। অপরিশোধিত লবণকে ন্যূনতম জলে দ্রবীভূত করে, অদ্রবণীয় অপদ্রব্য অপসারণের জন্য ছাঁকাই করে, এবং তারপর সম্পৃক্ত দ্রবণের মধ্য দিয়ে HCl গ্যাস প্রবাহিত করে বিশুদ্ধকরণ করা যেতে পারে। NaCl MgCl₂ এবং CaCl₂ এর চেয়ে কম দ্রবণীয় হওয়ায়, সাধারণ আয়ন প্রভাবের কারণে বিশুদ্ধ NaCl অধঃক্ষিপ্ত হয়।

অপরিশোধিত ধাতুতে বিজারণ

এর অত্যন্ত উচ্চ তড়িৎ-ধনাত্মকতা এবং শক্তিশালী বিজারক প্রকৃতির কারণে, সোডিয়ামকে রাসায়নিক বিজারণ পদ্ধতি (যেমন, কার্বন ব্যবহার করে) দ্বারা নিষ্কাশন করা যায় না। এটি জলের সাথেও অত্যন্ত সক্রিয়, যা জলীয় তড়িৎ বিশ্লেষণকে অবাস্তব করে তোলে। শিল্প নিষ্কাশন একচেটিয়াভাবে গলিত সোডিয়াম ক্লোরাইডের তড়িৎ বিশ্লেষণ দ্বারা সম্পন্ন হয়।

ডাউনস প্রক্রিয়া

সোডিয়াম ধাতু উৎপাদনের জন্য ডাউনস প্রক্রিয়া হল সবচেয়ে সাধারণ শিল্প পদ্ধতি।

নীতি:

গলিত NaCl এর তড়িৎ বিশ্লেষণ, যা প্রায়শই গলনাঙ্ক কমানোর জন্য অন্যান্য লবণের সাথে মিশ্রিত করা হয়, ক্যাথোড-এ সোডিয়াম ধাতু এবং অ্যানোড-এ ক্লোরিন গ্যাস উৎপন্ন করে।

ডাউনস সেলের বর্ণনা:

ডাউনস সেল একটি গোলাকার সেল যা নিম্নলিখিতগুলি নিয়ে গঠিত:

গ্রাফাইট অ্যানোড: কেন্দ্রস্থলে অবস্থিত।
লোহার ক্যাথোড: নলাকার আকৃতির, অ্যানোডকে ঘিরে থাকে।
স্টিলের জালি ডায়াফ্রাম: একটি তারের জালি ডায়াফ্রাম অ্যানোড এবং ক্যাথোড কক্ষগুলিকে পৃথক করে। এই ডায়াফ্রামটি গলিত সোডিয়াম (ক্যাথোডে উৎপন্ন) এবং ক্লোরিন গ্যাস (অ্যানোডে উৎপন্ন) এর পুনঃসংমিশ্রণ প্রতিরোধ করে, যা বিস্ফোরকভাবে বিক্রিয়া করতে পারে।
বাইরের আবরণ: একটি রিফ্র্যাক্টরি-লাইনযুক্ত স্টিলের পাত্র।

ইলেক্ট্রোলাইট:

ইলেক্ট্রোলাইট NaCl, CaCl₂, এবং/অথবা BaCl₂ এর একটি মিশ্রণ নিয়ে গঠিত।
বিশুদ্ধ NaCl এর গলনাঙ্ক খুব বেশি (801 °C)। শক্তি খরচ কমাতে এবং সোডিয়ামের উদ্বায়ীকরণ কমানোর জন্য একটি ইউটেকটিক মিশ্রণ ব্যবহার করা হয়।
গঠন: প্রায় 42% NaCl এবং 58% CaCl₂। কখনও কখনও BaCl₂ ও যোগ করা হয়।
মিশ্রণের গলনাঙ্ক: মিশ্রণটি অনেক কম তাপমাত্রায় গলে যায়, সাধারণত প্রায় 580-600 °C।
CaCl₂/BaCl₂ এর কাজ:
- ইলেক্ট্রোলাইটের গলনাঙ্ক কমায়, যার ফলে শক্তি সাশ্রয় হয়।
- গলিত পদার্থের তড়িৎ পরিবাহিতা বাড়ায়।
- NaCl এর চেয়ে উচ্চতর বিয়োজন বিভব (decomposition potential) থাকে, যা নিশ্চিত করে যে অপারেটিং অবস্থায় শুধুমাত্র Na⁺ আয়নই ক্যাথোডে বিজারিত হয়, Ca²⁺ বা Ba²⁺ নয় (যদিও শর্তাবলী সতর্কতার সাথে নিয়ন্ত্রণ না করা হলে কিছু Ca ধাতু সহ-অধঃক্ষিপ্ত হতে পারে, এটি গলিত সোডিয়ামে দ্রবীভূত থাকে এবং বিশুদ্ধকরণের সময় অপসারিত হয়)।

ডাউনস সেলের বিক্রিয়া:

গলিত মিশ্রণে Na⁺, Ca²⁺ এবং Cl⁻ আয়ন থাকে।

ক্যাথোড-এ (লোহা, ঋণাত্মক তড়িৎদ্বার): Na⁺ (melt) + e⁻ → Na (l) (সোডিয়াম আয়ন থেকে গলিত সোডিয়াম ধাতুর বিজারণ)
অ্যানোড-এ (গ্রাফাইট, ধনাত্মক তড়িৎদ্বার): 2Cl⁻ (melt) → Cl₂ (g) + 2e⁻ (ক্লোরাইড আয়ন থেকে ক্লোরিন গ্যাসের জারণ)

উৎপাদ সংগ্রহ:

গলিত সোডিয়াম: ইলেক্ট্রোলাইটের চেয়ে কম ঘনত্বের হওয়ায়, গলিত সোডিয়াম ক্যাথোড কক্ষের ইলেক্ট্রোলাইটের পৃষ্ঠে ভাসে। এটি একটি উল্টানো সংগ্রাহক পাইপে ক্রমাগত সংগ্রহ করা হয় যা গলিত সোডিয়ামে ডুবানো থাকে এবং সাইফন করে বের করে নেওয়া হয়।
ক্লোরিন গ্যাস: ক্লোরিন গ্যাস, বায়ুর চেয়ে ঘনত্বের হওয়ায়, অ্যানোডের উপরে একটি উল্টানো গম্বুজ থেকে সংগ্রহ করা হয় এবং আরও শিল্প ব্যবহারের জন্য নিয়ে যাওয়া হয়।

মুখ্য শর্তাবলী এবং বিবেচনা:

তাপমাত্রা: 580-600 °C (বিশুদ্ধ সোডিয়ামের গলনাঙ্কের নীচে, 98 °C, কিন্তু ইলেক্ট্রোলাইটের গলনাঙ্কের উপরে)।
ভোল্টেজ: প্রায় 6-7 ভোল্ট।
ডায়াফ্রাম: Na এবং Cl₂ এর পুনঃসংমিশ্রণ প্রতিরোধের জন্য অপরিহার্য।

পরিশোধন এবং বিশুদ্ধকরণ

ডাউনস প্রক্রিয়া থেকে প্রাপ্ত সোডিয়াম ধাতু সাধারণত খুব বিশুদ্ধ (প্রায় 99.5%) হয়। যদি অপদ্রব্য উপস্থিত থাকে, তবে প্রধানত দ্রবীভূত ক্যালসিয়াম থাকে, যা অপারেটিং তাপমাত্রা খুব বেশি হলে Ca²⁺ আয়নের কিছু বিজারণের ফলে গঠিত হতে পারে।

ক্যালসিয়াম অপসারণ: যদি ক্যালসিয়াম উপস্থিত থাকে, তবে এটি নিম্নলিখিত উপায়ে অপসারণ করা যেতে পারে:
- ফিল্ট্রেশন: গলিত সোডিয়ামকে প্রায় 120 °C তাপমাত্রায় ঠাণ্ডা করলে ক্যালসিয়াম অধঃক্ষিপ্ত হয়, যা তারপর ফিল্টার করে অপসারণ করা যায়।
- আংশিক স্ফটিকীকরণ: বিকল্পভাবে, ক্যালসিয়ামযুক্ত গলিত সোডিয়ামকে ধীরে ধীরে ঠাণ্ডা হতে দেওয়া হয়। সোডিয়াম প্রথমে স্ফটিকীভূত হয়, ক্যালসিয়াম অবশিষ্ট তরলে দ্রবীভূত থাকে, যা তারপর পৃথক করা যায়।

পরিশোধিত সোডিয়াম তারপর ব্লক আকারে ঢালাই করা হয় অথবা বায়ু বা আর্দ্রতার সাথে বিক্রিয়া প্রতিরোধ করার জন্য একটি নিষ্ক্রিয় পরিবেশে বা খনিজ তেলের নিচে ড্রামে ভরা হয়।