નાઇટ્રોજન (N) નું ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ

કુદરતી ઉપલબ્ધતા અને મુખ્ય સ્ત્રોત

નાઇટ્રોજન (N) એક બિન-ધાતુ તત્વ છે જે મુખ્યત્વે વાયુ સ્વરૂપમાં ઉપલબ્ધ છે. તે ધાતુઓની જેમ પરંપરાગત “કાચી ધાતુઓ” માં અસ્તિત્વમાં નથી.

વાતાવરણીય નાઇટ્રોજન (N₂)

• પ્રાથમિક સ્ત્રોત: પૃથ્વીના વાતાવરણનો આશરે 78% કદ દ્વારા ડાયનાઇટ્રોજન (N₂) છે. આ સૌથી મહત્વપૂર્ણ ઔદ્યોગિક સ્ત્રોત છે.

અકાર્બનિક નાઇટ્રોજન સંયોજનો

• નાઇટ્રેટ્સ: કુદરતી રીતે બનતા નાઇટ્રેટ ક્ષારો તરીકે ઉપલબ્ધ છે, જેમ કે:
  • ચિલી સોલ્ટપીટર: સોડિયમ નાઇટ્રેટ (NaNO₃)
  • ઇન્ડિયન સોલ્ટપીટર: પોટેશિયમ નાઇટ્રેટ (KNO₃)
  • આ નાઇટ્રોજન સંયોજનો માટેના સ્ત્રોત છે, પરંતુ સામાન્ય રીતે તત્વ N₂ ના નિષ્કર્ષણ માટે નથી.

કાર્બનિક નાઇટ્રોજન સંયોજનો

• બધા સજીવોમાં (પ્રોટીન, ન્યુક્લિક એસિડ, એમિનો એસિડ) જોવા મળે છે. આ તત્વ N₂ માટે ઔદ્યોગિક સ્ત્રોત નથી.

વાયુમાંથી નાઇટ્રોજનનું ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ

તત્વ નાઇટ્રોજન (N₂) નું ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ વાતાવરણીય વાયુમાંથી તેના વિભાજન પર કેન્દ્રિત છે. આ પ્રક્રિયામાં વાયુનું પ્રવાહીકરણ અને ત્યારબાદ અપૂર્ણાંક નિસ્યંદનનો સમાવેશ થાય છે. સૌથી સામાન્ય પદ્ધતિ લિન્ડે-ફ્રેન્કલ પ્રક્રિયા અથવા તેની ભિન્નતાઓ છે.

1. વાયુની તૈયારી (પૂર્વ-સારવાર)

પ્રવાહીકરણ પહેલાં વાતાવરણીય વાયુને શુદ્ધ કરવું આવશ્યક છે જેથી નીચા તાપમાને અશુદ્ધિઓના ઘનકરણને કારણે અવરોધો અટકાવી શકાય.

• ધૂળ દૂર કરવી: કણોને દૂર કરવા માટે વાયુને ફિલ્ટર કરવામાં આવે છે.
• કાર્બન ડાયોક્સાઇડ (CO₂) દૂર કરવી: CO₂ ને સ્કબર દ્વારા દૂર કરવામાં આવે છે જેમાં નીચેના પદાર્થો હોય છે:
  • કોસ્ટિક સોડા (NaOH) દ્રાવણ: 2NaOH(aq) + CO_2(g) \rightarrow Na_2CO_3(aq) + H_2O(l)
  • અથવા, મોલેક્યુલર સિવ્સ પર શોષણ દ્વારા.
• પાણીની વરાળ (H₂O) દૂર કરવી: ભેજ નીચે મુજબ દૂર કરવામાં આવે છે:
  • પાણીનું ઘનીકરણ કરવા માટે વાયુને ઠંડુ કરવું.
  • સક્રિય એલ્યુમિના (Al₂O₃) અથવા સિલિકા જેલ (SiO₂) જેવા સૂકવણકર્તાઓમાંથી પસાર કરીને.
  • મોલેક્યુલર સિવ્સનો ઉપયોગ કરીને.

2. વાયુનું પ્રવાહીકરણ

શુદ્ધ કરેલા વાયુને પછી જુલ્-થોમસન અસર પર આધાર રાખીને, પ્રવાહીકરણ પ્રાપ્ત કરવા માટે વારંવાર ઠંડુ અને સંકુચિત કરવામાં આવે છે.

• સંકોચન: વાયુને ઉચ્ચ દબાણ (દા.ત., 100-200 atm) પર સંકુચિત કરવામાં આવે છે.
• ઠંડક: સંકુચિત વાયુને રેફ્રિજરેન્ટ્સ દ્વારા અથવા હીટ એક્સચેન્જરમાં અગાઉ ઠંડુ કરાયેલા વાયુને વિસ્તૃત કરીને ઠંડુ કરવામાં આવે છે.
• વિસ્તરણ (જુલ્-થોમસન અસર): ઉચ્ચ સંકુચિત, ઠંડા વાયુને વિસ્તરણ વાલ્વ દ્વારા ઝડપથી વિસ્તૃત થવા દેવામાં આવે છે. આ અચાનક વિસ્તરણ તાપમાનમાં નોંધપાત્ર ઘટાડો કરે છે.
  • પ્રક્રિયા પ્રવાહનું વર્ણન:
    1. ફિલ્ટર કરેલા અને શુદ્ધ કરેલા વાયુને કોમ્પ્રેસર દ્વારા સંકુચિત કરવામાં આવે છે.
    2. ગરમ સંકુચિત વાયુને આવતા ઠંડા વાયુ પ્રવાહો દ્વારા હીટ એક્સચેન્જરમાં ઠંડુ કરવામાં આવે છે.
    3. પહેલેથી જ ઠંડા, વિસ્તરતા વાયુ સાથે ઉષ્મા વિનિમય થતાં વધુ ઠંડક થાય છે.
    4. પૂર્વ-ઠંડું કરાયેલ, ઉચ્ચ-દબાણવાળા વાયુ વિસ્તરણ વાલ્વમાંથી પસાર થાય છે, જ્યાં તે જુલ્-થોમસન અસરને કારણે ઝડપથી વિસ્તરે છે અને નોંધપાત્ર રીતે ઠંડુ થાય છે.
    5. વાયુનો એક ભાગ આ તબક્કે પ્રવાહી બને છે. જે વાયુ પ્રવાહી નથી બન્યો તેને હીટ એક્સચેન્જરમાંથી પાછો આવતા સંકુચિત વાયુને ઠંડો કરવા માટે મોકલવામાં આવે છે અને પછી કોમ્પ્રેસર દ્વારા રિસાયકલ કરવામાં આવે છે.
    6. પ્રવાહી વાયુ પ્રવાહીકરણ કૉલમના તળિયે એકત્રિત થાય છે.

3. પ્રવાહી વાયુનું અપૂર્ણાંક નિસ્યંદન (ઘટકોનું વિભાજન)

પ્રવાહી વાયુ, જે પ્રવાહી નાઇટ્રોજન (ઉત્કલન બિંદુ -196 °C), પ્રવાહી ઓક્સિજન (ઉત્કલન બિંદુ -183 °C), અને પ્રવાહી આર્ગોન (ઉત્કલન બિંદુ -186 °C) નું મિશ્રણ છે, તેને પછી અપૂર્ણાંક નિસ્યંદિત કરવામાં આવે છે.

• સિદ્ધાંત: વિભાજન ઘટકોના ઉત્કલન બિંદુઓમાં તફાવત પર આધારિત છે. નાઇટ્રોજન, સૌથી નીચા ઉત્કલન બિંદુ સાથે, પહેલા બાષ્પીભવન થાય છે.
• નિસ્યંદન કૉલમ: એક ઊંચા અપૂર્ણાંક કૉલમનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, જે સામાન્ય રીતે નીચા તાપમાને કાર્યરત હોય છે.
  • પ્રક્રિયા પ્રવાહનું વર્ણન:
    1. પ્રવાહી વાયુને અપૂર્ણાંક કૉલમની મધ્યની નજીક દાખલ કરવામાં આવે છે.
    2. જેમ જેમ પ્રવાહી નીચે ઉતરે છે, તેમ તેમ તે ચઢતા વરાળ દ્વારા ગરમ થાય છે.
    3. નાઇટ્રોજન, વધુ બાષ્પશીલ હોવાને કારણે, પ્રાધાન્યપૂર્વક બાષ્પીભવન થાય છે અને કૉલમની ટોચ પર ચઢે છે.
    4. ઓક્સિજન, ઉચ્ચ ઉત્કલન બિંદુ સાથે, કૉલમના તળિયે પ્રવાહી તરીકે કેન્દ્રિત થાય છે. આર્ગોન, મધ્યવર્તી ઉત્કલન બિંદુ ધરાવતું, નાઇટ્રોજન અને ઓક્સિજન વચ્ચેના વિભાગમાં કેન્દ્રિત થાય છે.
    5. શુદ્ધ વાયુયુક્ત નાઇટ્રોજન (N₂) કૉલમની ટોચ પરથી એકત્રિત કરવામાં આવે છે.
    6. વાયુયુક્ત ઓક્સિજન (O₂) તળિયેથી એકત્રિત કરવામાં આવે છે.
    7. જો જરૂરી હોય તો વધુ શુદ્ધિકરણ માટે આર્ગોનને મધ્યવર્તી વિભાગમાંથી એકત્રિત કરી શકાય છે.

શુદ્ધિકરણ અને રિફાઇનિંગ

અપૂર્ણાંક કૉલમની ટોચ પરથી મેળવેલ નાઇટ્રોજન પહેલેથી જ ખૂબ શુદ્ધ હોય છે (સામાન્ય રીતે >99.5%). વધુ ઉચ્ચ શુદ્ધતાની જરૂરિયાતો માટે, વધુ પગલાંનો ઉપયોગ કરી શકાય છે:

• વધુ અપૂર્ણાંક નિસ્યંદન: નાઇટ્રોજન વાયુ અથવા પ્રવાહીનું પુનરાવર્તન નિસ્યંદન ટ્રેસ ઓક્સિજન અથવા આર્ગોનને દૂર કરીને શુદ્ધતા વધારી શકે છે.
• ઉત્પ્રેરક ડીઓક્સિજનેશન: અતિ-ઉચ્ચ શુદ્ધતાવાળા નાઇટ્રોજન (દા.ત., 99.999%) માટે, ટ્રેસ ઓક્સિજનને ઉત્પ્રેરક (દા.ત., પેલેડિયમ) પર થોડા પ્રમાણમાં હાઇડ્રોજનની હાજરીમાં પસાર કરીને દૂર કરી શકાય છે, જેનાથી પાણી બને છે: 2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(g). પાણી પછી શોષણ દ્વારા દૂર કરવામાં આવે છે.
• શોષણ: બાકી રહેલી ટ્રેસ અશુદ્ધિઓને દૂર કરવા માટે મોલેક્યુલર સિવ્સ અથવા સક્રિય કાર્બનનો ઉપયોગ કરવો.

શુદ્ધ કરેલ નાઇટ્રોજનને પછી સંકુચિત કરવામાં આવે છે અને સિલિન્ડરોમાં સંગ્રહિત કરવામાં આવે છે અથવા ઇન્સ્યુલેટેડ ક્રાયોજેનિક ટાંકીઓમાં પ્રવાહી નાઇટ્રોજન તરીકે પરિવહન કરવામાં આવે છે.