મેગ્નેશિયમ (Mg) નું ધાતુશાસ્ત્ર અને ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ

કુદરતી ઉપલબ્ધતા અને મુખ્ય ખનિજો

પૃથ્વીના પોપડામાં મેગ્નેશિયમ આઠમો સૌથી વિપુલ પ્રમાણમાં મળી આવતો તત્વ છે અને દરિયાઈ પાણીમાં દ્રાવ્ય સ્વરૂપે ત્રીજો સૌથી વિપુલ તત્વ છે. તેની ઉચ્ચ પ્રતિક્રિયાશીલતાને કારણે તે હંમેશા સંયુક્ત અવસ્થામાં જોવા મળે છે.

• દરિયાઈ પાણી અને ખારા પાણી: દ્રાવ્ય મેગ્નેશિયમ ક્લોરાઇડ (MgCl₂) નો મોટો સંગ્રહ.
• મેગ્નેસાઇટ: MgCO₃ (મેગ્નેશિયમ કાર્બોનેટ).
• ડોલોમાઇટ: MgCO₃·CaCO₃ (મેગ્નેશિયમ અને કેલ્શિયમનો મિશ્ર કાર્બોનેટ).
• કાર્નેલાઇટ: KCl·MgCl₂·6H₂O (પોટેશિયમ ક્લોરાઇડ અને મેગ્નેશિયમ ક્લોરાઇડનો જળયુક્ત દ્વિ ક્ષાર).
• એસ્બેસ્ટોસ: ક્રાયસોટાઇલ Mg₃Si₂O₅(OH)₄ જેવા સિલિકેટ ખનિજો.

ખનિજનું સાંદ્રણ

મેગ્નેશિયમના મુખ્ય ઔદ્યોગિક સ્ત્રોતો દરિયાઈ પાણી, ખારા પાણી અને ડોલોમાઇટ છે. સાંદ્રણ પ્રક્રિયા સ્ત્રોત પર આધાર રાખીને બદલાય છે.

દરિયાઈ પાણીમાંથી (ડાઉ પ્રક્રિયા સિદ્ધાંત)

1. મેગ્નેશિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડનું અવક્ષેપણ: દરિયાઈ પાણી (દ્રાવ્ય MgCl₂ ધરાવતું) ચૂનાના દૂધ (Ca(OH)₂) સાથે પ્રક્રિયા કરવામાં આવે છે, જે ચૂનાના પત્થરને ગરમ કરીને (CaCO₃ \rightarrow CaO + CO₂) અને છંટકાવ કરીને (CaO + H₂O \rightarrow Ca(OH)₂) તૈયાર કરવામાં આવે છે. MgCl₂(aq) + Ca(OH)₂(aq) \rightarrow Mg(OH)₂(s) + CaCl₂(aq) મેગ્નેશિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ અત્યંત અદ્રાવ્ય છે અને અવક્ષિપ્ત થાય છે.
2. મેગ્નેશિયમ ક્લોરાઇડમાં રૂપાંતરણ: અવક્ષિપ્ત Mg(OH)₂ ને ફિલ્ટર કરીને, ધોઈને, અને પછી હાઇડ્રોક્લોરિક એસિડ (HCl) સાથે પ્રક્રિયા કરવામાં આવે છે. Mg(OH)₂(s) + 2HCl(aq) \rightarrow MgCl₂(aq) + 2H₂O(l)
3. નિર્જલીકરણ: પરિણામી MgCl₂ દ્રાવણનું બાષ્પીભવન કરવામાં આવે છે અને નિર્જળ MgCl₂ મેળવવા માટે કાળજીપૂર્વક નિર્જલીકરણ કરવામાં આવે છે. જળવિભાજન અટકાવવા માટે સંપૂર્ણ નિર્જલીકરણ નિર્ણાયક છે: MgCl₂·6H₂O(s) \rightarrow MgCl₂(s) + 6H₂O(g) (HCl વાયુના વાતાવરણમાં ગરમ ​​કરવાની જરૂર પડે છે જેથી જળવિભાજનને દબાવી શકાય: MgCl₂ + 2H₂O \rightarrow MgO + 2HCl).

ડોલોમાઇટમાંથી

1. ભસ્મીકરણ (Calcination): ડોલોમાઇટ (MgCO₃·CaCO₃) ને ઊંચા તાપમાને ભસ્મીકરણ કરવામાં આવે છે જેથી મેગ્નેશિયમ ઓક્સાઇડ અને કેલ્શિયમ ઓક્સાઇડનું મિશ્રણ બને. MgCO₃·CaCO₃(s) \rightarrow MgO(s) + CaO(s) + 2CO₂(g)
2. ક્લોરાઇડમાં રૂપાંતરણ: મિશ્ર ઓક્સાઇડને પછી ઉપર વર્ણવ્યા મુજબ HCl નો ઉપયોગ કરીને MgCl₂ માં રૂપાંતરિત કરી શકાય છે, અથવા MgO નો ઉપયોગ પીજન પ્રક્રિયા (થર્મલ રિડક્શન) માં કરી શકાય છે.

કાચી ધાતુમાં રિડક્શન

મેગ્નેશિયમનું ઔદ્યોગિક રિડક્શન મુખ્યત્વે ઇલેક્ટ્રોલિસિસ દ્વારા પ્રાપ્ત થાય છે. થર્મલ રિડક્શન પદ્ધતિઓનો પણ ઉપયોગ થાય છે, પરંતુ પ્રાથમિક ઉત્પાદન માટે ઓછી વાર.

ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક રિડક્શન (ડાઉ પ્રક્રિયા)

મેગ્નેશિયમનું ઉત્પાદન કરવા માટે આ મુખ્ય પદ્ધતિ છે.

1. ઇલેક્ટ્રોલાઇટ: નિર્જળ MgCl₂ ને NaCl અને CaCl₂ (અથવા KCl) સાથે ગાળવામાં આવે છે. આ ક્ષાર નીચેના હેતુઓ પૂરા પાડે છે:
   • ઇલેક્ટ્રોલાઇટ મિશ્રણનું ગલનબિંદુ ઘટાડવું (શુદ્ધ MgCl₂ માટે 714°C થી ~450°C).
   • વિદ્યુત વાહકતા વધારવી.
   • ઇલેક્ટ્રોલાઇટની ઘનતા ઘટાડવી, જેથી પીગળેલું મેગ્નેશિયમ ઉપર તરી શકે અને સરળતાથી એકત્રિત કરી શકાય.
2. કોષની રચના: એક ઇલેક્ટ્રોલાઇટિક કોષ સામાન્ય રીતે અગ્નિરોધક સામગ્રીથી અસ્તરવાળા સ્ટીલ ટાંકીનો સમાવેશ કરે છે. ગ્રેફાઇટ સળિયા એનોડ તરીકે કાર્ય કરે છે, અને સ્ટીલ પ્લેટો કેથોડ તરીકે સેવા આપે છે.
3. ઇલેક્ટ્રોલિસિસ: આશરે 700°C તાપમાને પીગળેલા ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાંથી સીધો પ્રવાહ પસાર કરવામાં આવે છે.
   • કેથોડ પર (સ્ટીલ): મેગ્નેશિયમ આયનો ઇલેક્ટ્રોન મેળવે છે અને પીગળેલા મેગ્નેશિયમ ધાતુમાં રિડ્યુસ થાય છે. Mg²⁺(l) + 2e⁻ \rightarrow Mg(l)
   • એનોડ પર (ગ્રેફાઇટ): ક્લોરાઇડ આયનો ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવે છે અને ક્લોરિન વાયુમાં ઓક્સિડાઇઝ થાય છે. 2Cl⁻(l) \rightarrow Cl₂(g) + 2e⁻
4. સંગ્રહ: પીગળેલું મેગ્નેશિયમ, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ કરતાં હલકું હોવાને કારણે, ઉપર તરી આવે છે અને સમયાંતરે સિફોન દ્વારા અલગ કરવામાં આવે છે. ક્લોરિન વાયુ મૂલ્યવાન ઉપ-ઉત્પાદન તરીકે એકત્રિત કરવામાં આવે છે અને HCl ઉત્પન્ન કરવા માટે રિસાયકલ કરી શકાય છે.

થર્મલ રિડક્શન (પીજન પ્રક્રિયા)

આ પ્રક્રિયામાં ફેરોસિલિકોન (FeSi) વડે MgO (ભસ્મીકરણ કરેલ ડોલોમાઇટ અથવા મેગ્નેસાઇટમાંથી મેળવેલ) ને રિડ્યુસ કરવાનો સમાવેશ થાય છે.

1. પ્રક્રિયકો: ભસ્મીકરણ કરેલ ડોલોમાઇટ (MgO·CaO) ને ફેરોસિલિકોન (આયર્ન અને સિલિકોનની મિશ્ર ધાતુ) સાથે મિશ્રિત કરવામાં આવે છે.
2. પ્રક્રિયા: આ મિશ્રણને વેક્યુમ ફર્નેસમાં ઊંચા તાપમાને (1100-1200°C) ગરમ કરવામાં આવે છે. સિલિકોન MgO ને રિડ્યુસ કરે છે, અને CaO સિલિકા માટે સ્કેવેન્જર તરીકે કાર્ય કરે છે, સંતુલનને જમણી બાજુ ખસેડે છે. 2(MgO·CaO)(s) + SiFe(s) \rightarrow 2Mg(g) + Ca₂SiO₄(s) + Fe(s)
3. નિસ્યંદન: મેગ્નેશિયમ આ તાપમાને બાષ્પીભવન પામે છે અને કાચા મેગ્નેશિયમનું ઉત્પાદન કરવા માટે ભઠ્ઠીના ઠંડા ભાગમાં ઘટ્ટ થાય છે. આ પ્રક્રિયા ઊર્જા-સઘન છે અને સામાન્ય રીતે નાના પાયાના ઉત્પાદન અથવા વિશિષ્ટ એપ્લિકેશન માટે ઉપયોગમાં લેવાય છે.

શુદ્ધિકરણ અને રિફાઇનિંગ

ઇલેક્ટ્રોલિસિસ અથવા થર્મલ રિડક્શનમાંથી મેળવેલ કાચા મેગ્નેશિયમની શુદ્ધતા સામાન્ય રીતે 99-99.8% હોય છે. વધુ શુદ્ધતા પ્રાપ્ત કરવા માટે આગળ શુદ્ધિકરણ કરવામાં આવે છે.

1. નિસ્યંદન: ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળા મેગ્નેશિયમ મેળવવા માટે આ સૌથી સામાન્ય પદ્ધતિ છે.
   • કાચા મેગ્નેશિયમને વેક્યુમ ફર્નેસમાં તેના ઉત્કલનબિંદુ (1091°C) સુધી ગરમ કરવામાં આવે છે.
   • મેગ્નેશિયમ બાષ્પીભવન પામે છે, આયર્ન, સિલિકોન અને દ્રાવ્ય ક્લોરાઇડ્સ જેવી ઓછી અસ્થિર અશુદ્ધિઓને પાછળ છોડી દે છે.
   • શુદ્ધ મેગ્નેશિયમ વરાળ પછી ભઠ્ઠીના ઠંડા ભાગમાં ઘટ્ટ થાય છે જેથી 99.99% સુધીની શુદ્ધતા ધરાવતી મેગ્નેશિયમ ધાતુ મળે.
2. ફ્લક્સ શુદ્ધિકરણ: પીગળેલા કાચા મેગ્નેશિયમને ચોક્કસ ફ્લક્સ (ક્લોરાઇડ્સ અને ફ્લોરાઇડ્સના મિશ્રણ, દા.ત., MgCl₂-BaCl₂-CaF₂) સાથે પ્રક્રિયા કરી શકાય છે. આ ફ્લક્સ નોન-મેટાલિક સમાવેશ અને કેટલીક ધાતુની અશુદ્ધિઓને દૂર કરવામાં મદદ કરે છે, જે ડ્રોસ બનાવે છે, જે પીગળેલા મેગ્નેશિયમથી અલગ પડે છે. આ ઘણીવાર આગળ શુદ્ધિકરણ પહેલાનું પ્રારંભિક પગલું હોય છે.
3. રિસાયક્લિંગ: મેગ્નેશિયમ ધાતુનો નોંધપાત્ર હિસ્સો સ્ક્રેપના રિસાયક્લિંગ દ્વારા મેળવવામાં આવે છે, જેમાં ફ્લક્સ શુદ્ધિકરણ અને નિસ્યંદન જેવી જ ગાળણ અને શુદ્ધિકરણ પ્રક્રિયાઓનો સમાવેશ થાય છે.