ધાતુશાસ્ત્ર અને ક્લોરિન (Cl) નું ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ

પ્રાકૃતિક પ્રાપ્તિ અને મુખ્ય સ્ત્રોતો

ક્લોરિન એક અત્યંત પ્રતિક્રિયાશીલ હેલોજન છે અને તે પ્રકૃતિમાં તેના તત્વીય સ્વરૂપમાં જોવા મળતું નથી. તે ફક્ત ક્લોરાઇડ આયનો (Cl⁻) તરીકે વિવિધ આયનીય સંયોજનોમાં જોવા મળે છે.

1. સમુદ્રનું પાણી: સૌથી પ્રચુર સ્ત્રોત, જેમાં આશરે 2.7% (w/v) સોડિયમ ક્લોરાઇડ (NaCl) તેમજ અન્ય ધાતુના ક્લોરાઇડ્સ (દા.ત., MgCl₂, CaCl₂) ઓછી માત્રામાં હોય છે.
2. બ્રાઇન કુવાઓ: સાંદ્ર મીઠાના દ્રાવણોના ભૂગર્ભ ભંડારો.
3. ખડક મીઠું (હેલાઇટ): સોડિયમ ક્લોરાઇડ (NaCl) ના નક્કર ભંડારો.
4. કાર્નાલાઇટ: એક દ્વિગુણ મીઠું, KCl·MgCl₂·6H₂O.
5. સિલ્વાઇટ: પોટેશિયમ ક્લોરાઇડ (KCl).

તત્વીય ક્લોરિનના ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ માટે, સોડિયમ ક્લોરાઇડ તેની પ્રચુરતા અને વિદ્યુત વિભાજનની સરળતાને કારણે મુખ્ય કાચો માલ છે.

સ્ત્રોત સામગ્રીની સાંદ્રતા

ધાતુના અયસ્કથી વિપરીત જેને ભૌતિક સાંદ્રતા પદ્ધતિઓની જરૂર પડે છે, ક્લોરાઇડ સ્ત્રોતોની “સાંદ્રતા” માં મુખ્યત્વે વિદ્યુત વિભાજન માટે યોગ્ય શુદ્ધ, સાંદ્ર બ્રાઇન દ્રાવણ મેળવવાનો સમાવેશ થાય છે.

1. સમુદ્રના પાણી/બ્રાઇન કુવાઓમાંથી:
   • સૌર બાષ્પીભવન: સમુદ્રના પાણી અથવા મંદ બ્રાઇનને મોટા છીછરા તળાવોમાં બાષ્પીભવન થવા દેવામાં આવે છે, જેના પરિણામે ક્રૂડ સોડિયમ ક્લોરાઇડનું સ્ફટિકીકરણ થાય છે.
   • બ્રાઇન શુદ્ધિકરણ: ક્રૂડ મીઠાને પછી પાણીમાં ઓગાળવામાં આવે છે અથવા કુવાઓમાંથી સીધા બ્રાઇનને શુદ્ધ કરવામાં આવે છે. આ પગલું Ca²⁺, Mg²⁺ અને Fe³⁺ આયનો જેવી અશુદ્ધિઓને દૂર કરવા માટે મહત્વપૂર્ણ છે. આ આયનો વિદ્યુત વિભાજન પ્રક્રિયામાં દખલ કરી શકે છે (દા.ત., હાઇડ્રોક્સાઇડ્સ તરીકે અવક્ષેપિત થઈને, મેમ્બ્રેનને દૂષિત કરીને, અથવા અનિચ્છનીય ઉપ-ઉત્પાદનો બનાવીને).
   • રાસાયણિક ઉપચાર: અશુદ્ધિઓને સામાન્ય રીતે કેલ્શિયમ કાર્બોનેટ (CaCO₃) ને અવક્ષેપિત કરવા માટે સોડિયમ કાર્બોનેટ (Na₂CO₃) ઉમેરીને અને મેગ્નેશિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (Mg(OH)₂) ને અવક્ષેપિત કરવા માટે સોડિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (NaOH) ઉમેરીને દૂર કરવામાં આવે છે. આ અવક્ષેપોને દૂર કરવા માટે પછી ફિલ્ટરેશન કરવામાં આવે છે.
2. ખડક મીઠામાંથી:
   • ખડક મીઠાના ભંડારોનું ખાણકામ કરવામાં આવે છે અને પછી તેને પાણીમાં ઓગાળીને સંતૃપ્ત બ્રાઇન દ્રાવણ બનાવવામાં આવે છે, જે ઉપર વર્ણવ્યા મુજબ શુદ્ધ કરવામાં આવે છે.

તત્વીય ક્લોરિનમાં ઘટાડો (ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ)

તત્વીય ક્લોરિન ઔદ્યોગિક રીતે લગભગ સંપૂર્ણપણે જલીય સોડિયમ ક્લોરાઇડ દ્રાવણ (બ્રાઇન) અથવા પીગળેલા સોડિયમ ક્લોરાઇડના વિદ્યુત વિભાજન દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે. આ પ્રક્રિયાને સામાન્ય રીતે ક્લોર-આલ્કલી પ્રક્રિયા તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, કારણ કે તે ક્લોરિન અને આલ્કલી (સોડિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ) બંનેનું સહ-ઉત્પાદન કરે છે.

ઉપયોગમાં લેવાતા ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષોના ત્રણ મુખ્ય પ્રકાર છે:

1. ડાયાફ્રેમ કોષ (દા.ત., નેલ્સન કોષ, હૂકર કોષ)

• સિદ્ધાંત: છિદ્રાળુ ડાયાફ્રેમ (ઐતિહાસિક રીતે એસ્બેસ્ટોસ, હવે ઘણીવાર પોલિમર-આધારિત) નો ઉપયોગ કરીને જલીય NaCl દ્રાવણનું વિદ્યુત વિભાજન એનોડ અને કેથોડ કમ્પાર્ટમેન્ટ્સને અલગ પાડે છે, જેથી ઉત્પાદનોના મિશ્રણને અટકાવે છે.
• સેટઅપ: એનોડ કમ્પાર્ટમેન્ટમાં ગ્રેફાઇટ અથવા ડાયમેન્શનલી સ્ટેબલ એનોડ્સ (DSA, દા.ત., RuO₂/TiO₂ કોટેડ ટાઇટેનિયમ) બ્રાઇનમાં ડૂબેલા હોય છે. કેથોડ એક છિદ્રાળુ સ્ટીલ પ્લેટ છે. ડાયાફ્રેમ બે કમ્પાર્ટમેન્ટ્સને અલગ પાડે છે.
• પ્રતિક્રિયાઓ:
  • એનોડ પર (ઓક્સિડેશન): ક્લોરાઇડ આયનોનું ઓક્સિડેશન થાય છે. 2Cl⁻(aq) \rightarrow Cl₂(g) + 2e⁻
  • કેથોડ પર (ઘટાડો): પાણીનું ઘટાડો Na⁺ આયનોની પસંદગીમાં થાય છે (જલીય દ્રાવણમાં Na જમા થવા માટે ઉચ્ચ ઓવરપોટેન્શિયલને કારણે). 2H₂O(l) + 2e⁻ \rightarrow H₂(g) + 2OH⁻(aq)
  • એકંદર પ્રતિક્રિયા: 2NaCl(aq) + 2H₂O(l) \rightarrow Cl₂(g) + H₂(g) + 2NaOH(aq)
• ઉત્પાદનો: ક્લોરિન ગેસ (એનોડ પર), હાઇડ્રોજન ગેસ (કેથોડ પર), અને સોડિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડનું મંદ દ્રાવણ (અપ્રક્રિયા પામેલા NaCl ધરાવતું). NaOH દ્રાવણને ક્ષાર દૂર કરવા માટે વધુ સાંદ્રતા અને શુદ્ધિકરણની જરૂર પડે છે.
• ફાયદા: મર્ક્યુરી કોષો કરતાં ઓછી ઊર્જા-સઘન; મર્ક્યુરી પ્રદૂષણ ટાળે છે.
• ગેરફાયદા: ઓછું શુદ્ધ અને મંદ NaOH દ્રાવણ ઉત્પન્ન કરે છે, જેને વધુ પ્રક્રિયાની જરૂર પડે છે.

2. મર્ક્યુરી કોષ (કાસ્ટનર-કેલનર કોષ)

• સિદ્ધાંત: વહેતા મર્ક્યુરી કેથોડનો ઉપયોગ કરીને જલીય NaCl દ્રાવણનું વિદ્યુત વિભાજન, જે સોડિયમ સાથે એમાલગમ બનાવે છે. આ NaOH ના ઉત્પાદનને મુખ્ય ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષથી અલગ પાડે છે, જેનાથી ઉચ્ચ શુદ્ધતાના ઉત્પાદનો મળે છે.
• સેટઅપ: એનોડ્સ (ગ્રેફાઇટ અથવા DSA) બ્રાઇન ઉપર મર્ક્યુરીના વહેતા સ્તરની ઉપર લટકાવેલા હોય છે, જે કેથોડ તરીકે કાર્ય કરે છે. કોષ સહેજ નમેલો હોય છે.
• પ્રતિક્રિયાઓ:
  • એનોડ પર (ઓક્સિડેશન): 2Cl⁻(aq) \rightarrow Cl₂(g) + 2e⁻
  • મર્ક્યુરી કેથોડ પર (ઘટાડો): સોડિયમ આયનોનું ઘટાડો થાય છે અને મર્ક્યુરીમાં ઓગળીને સોડિયમ એમાલગમ બનાવે છે. Na⁺(aq) + e⁻ + Hg(l) \rightarrow Na-Hg(l) (સોડિયમ એમાલગમ)
  • ડિકમ્પોઝર (ગૌણ કોષ): સોડિયમ એમાલગમ એક અલગ ડિકમ્પોઝરમાં વહે છે, જ્યાં તે ગ્રેફાઇટ ઉત્પ્રેરક ઉપર પાણી સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને ઉચ્ચ-શુદ્ધતા NaOH અને H₂ ઉત્પન્ન કરે છે. મર્ક્યુરી પુનર્જીવિત થાય છે અને ફરીથી ઉપયોગમાં લેવાય છે. 2Na-Hg(l) + 2H₂O(l) \rightarrow 2NaOH(aq) + H₂(g) + 2Hg(l)
• ઉત્પાદનો: ઉચ્ચ-શુદ્ધતા ક્લોરિન ગેસ, ઉચ્ચ-શુદ્ધતા અને સાંદ્ર સોડિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ દ્રાવણ, અને હાઇડ્રોજન ગેસ.
• ફાયદા: ખૂબ જ શુદ્ધ અને સાંદ્ર NaOH ઉત્પન્ન કરે છે.
• ગેરફાયદા: ઉચ્ચ ઊર્જા વપરાશ; મર્ક્યુરી લિકેજને કારણે નોંધપાત્ર પર્યાવરણીય ચિંતાઓ, જેના કારણે ઘણા પ્રદેશોમાં તેનો ઉપયોગ બંધ થઈ રહ્યો છે.

3. મેમ્બ્રેન કોષ (આયન-એક્સચેન્જ મેમ્બ્રેન કોષ)

• સિદ્ધાંત: કેશન-વિનિમય મેમ્બ્રેન (દા.ત., નાફિઓન) નો ઉપયોગ કરે છે જે Na⁺ આયનોને એનોડ કમ્પાર્ટમેન્ટમાંથી કેથોડ કમ્પાર્ટમેન્ટમાં પસાર થવા દે છે, જ્યારે Cl⁻ અને OH⁻ આયનોના સ્થાનાંતરણને અટકાવે છે. આ અલગ, ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળા ઉત્પાદનોની ખાતરી કરે છે.
• સેટઅપ: કોષને કેશન-વિનિમય મેમ્બ્રેન દ્વારા બે કમ્પાર્ટમેન્ટમાં વિભાજીત કરવામાં આવે છે. બ્રાઇનને એનોડ કમ્પાર્ટમેન્ટમાં (DSA એનોડ) દાખલ કરવામાં આવે છે. શુદ્ધ પાણીને કેથોડ કમ્પાર્ટમેન્ટમાં (નિકલ કેથોડ) દાખલ કરવામાં આવે છે.
• પ્રતિક્રિયાઓ:
  • એનોડ પર (ઓક્સિડેશન): 2Cl⁻(aq) \rightarrow Cl₂(g) + 2e⁻
  • કેથોડ પર (ઘટાડો): પાણીનું ઘટાડો થાય છે. 2H₂O(l) + 2e⁻ \rightarrow H₂(g) + 2OH⁻(aq)
  • મેમ્બ્રેન કાર્ય: Na⁺ આયનો મેમ્બ્રેનમાંથી એનોડ કમ્પાર્ટમેન્ટમાંથી કેથોડ કમ્પાર્ટમેન્ટમાં સ્થળાંતર કરે છે, જ્યાં તેઓ OH⁻ આયનો સાથે જોડાઈને NaOH બનાવે છે.
  • એકંદર પ્રતિક્રિયા: 2NaCl(aq) + 2H₂O(l) \rightarrow Cl₂(g) + H₂(g) + 2NaOH(aq)
• ઉત્પાદનો: ઉચ્ચ-શુદ્ધતા ક્લોરિન ગેસ, ઉચ્ચ-શુદ્ધતા અને સાંદ્ર સોડિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ દ્રાવણ, અને હાઇડ્રોજન ગેસ.
• ફાયદા: સૌથી પર્યાવરણને અનુકૂળ અને ઊર્જા-કાર્યક્ષમ પદ્ધતિ. ખૂબ જ શુદ્ધ અને સાંદ્ર NaOH ઉત્પન્ન કરે છે. આધુનિક ઔદ્યોગિક પ્લાન્ટ્સમાં વ્યાપકપણે અપનાવવામાં આવે છે.

ડીકન પ્રક્રિયા (ઐતિહાસિક/ગૌણ)

• આ પ્રક્રિયામાં હાઇડ્રોજન ક્લોરાઇડ (HCl) ગેસનું હવા (ઓક્સિજન) સાથે ઉત્પ્રેરક ઓક્સિડેશન કરીને ક્લોરિન ઉત્પન્ન કરવાનો સમાવેશ થાય છે.
• 4HCl(g) + O₂(g) \rightleftharpoons 2Cl₂(g) + 2H₂O(g)
• ઉત્પ્રેરક: CuCl₂ 400-450 °C પર.
• આ તેના કુદરતી સ્ત્રોતોમાંથી ક્લોરિનના નિષ્કર્ષણ માટેની પ્રાથમિક પદ્ધતિ નથી, પરંતુ ઉપ-ઉત્પાદન HCl માંથી ક્લોરિનને પુનઃપ્રાપ્ત કરવાનો એક માર્ગ છે.

ક્લોરિનનું શુદ્ધિકરણ અને સંશોધન

ઇલેક્ટ્રોલિટીક કોષોમાંથી સીધા મેળવેલા ક્લોરિન ગેસમાં સામાન્ય રીતે ભેજ અને ક્યારેક હાઇડ્રોજન ગેસ (ખાસ કરીને ડાયાફ્રેમ કોષોમાંથી) જેવી અશુદ્ધિઓ હોય છે. ઔદ્યોગિક ઉપયોગ અને સલામત સંગ્રહ માટે તેને શુદ્ધ અને સૂકવવાની જરૂર છે.

1. ઠંડક: ક્લોરિન ગેસને સૌ પ્રથમ ઠંડો કરવામાં આવે છે જેથી તેમાં રહેલી મોટાભાગની પાણીની વરાળ ઘનીભૂત થાય.
2. સૂકવણી: પછી ઠંડા ક્લોરિન ગેસને સિરામિક રિંગ્સથી ભરેલા ટાવર્સમાંથી પસાર કરવામાં આવે છે, જ્યાં તે સાંદ્ર સલ્ફ્યુરિક એસિડ (H₂SO₄) ની વિરુદ્ધ પ્રવાહમાં વહે છે. સાંદ્ર સલ્ફ્યુરિક એસિડ એક શક્તિશાળી નિર્જલીકરણ એજન્ટ છે અને ક્લોરિન ગેસમાંથી શેષ ભેજને અસરકારક રીતે દૂર કરે છે.
3. હાઇડ્રોજનનું વિભાજન (જો હાજર હોય): સૂકવણી પછી, ક્લોરિન ગેસને વધુ શુદ્ધ કરી શકાય છે. જો હાઇડ્રોજન હાજર હોય, તો તેને સામાન્ય રીતે પ્રવાહીકરણ દ્વારા અલગ કરવામાં આવે છે.
4. પ્રવાહીકરણ: સૂકા ક્લોરિન ગેસને સંકુચિત કરવામાં આવે છે અને તેને લગભગ -40 °C (અથવા દબાણના આધારે નીચું) સુધી વધુ ઠંડો કરવામાં આવે છે જેથી તેનું પ્રવાહીકરણ થાય. હાઇડ્રોજન (અને અન્ય બિન-ઘનીભૂત ગેસ) વાયુમય રહે છે અને તેને અલગ કરવામાં આવે છે.
5. સંગ્રહ: પ્રવાહીકૃત ક્લોરિનને પરિવહન અને ઔદ્યોગિક ઉપયોગ માટે દબાણ હેઠળ સ્ટીલ સિલિન્ડરો, કન્ટેનર અથવા રેલવે ટેન્ક કારમાં સંગ્રહિત કરવામાં આવે છે.