ઓક્સિજન (O) નું ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન

ઓક્સિજન (O) એક બિન-ધાતુ તત્વ છે અને પ્રમાણભૂત તાપમાન અને દબાણે વાયુમય ઘટક છે. તેનું ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન ધાતુશાસ્ત્રીય પ્રક્રિયાઓ જેવી કે કાચી ધાતુઓમાંથી ધાતુઓના નિષ્કર્ષણને સામેલ કરતું નથી. તેના બદલે, તે હવા અને પાણી જેવા સરળતાથી ઉપલબ્ધ સ્ત્રોતોમાંથી ઉત્પન્ન થાય છે.

કુદરતી ઉપલબ્ધતા

ઓક્સિજન દળના હિસાબે પૃથ્વીના પોપડામાં સૌથી વિપુલ પ્રમાણમાં મળી આવતું તત્વ છે, જે સંયોજનો બનાવે છે, અને કદના હિસાબે વાતાવરણમાં બીજા ક્રમે સૌથી વધુ પ્રમાણમાં મળી આવતો વાયુ છે.

• વાતાવરણ: દ્વિપરમાણ્વીય ઓક્સિજન (O₂) તરીકે કદ દ્વારા આશરે 21%.
• જલાવરણ: પાણી (H₂O) નો મુખ્ય ઘટક.
• શિલાવરણ: અસંખ્ય ઓક્સાઇડ ખનિજોમાં હાજર (દા.ત., સિલિકેટ્સ, કાર્બોનેટ, આયર્ન ઓક્સાઇડ). જોકે, આને ધાતુશાસ્ત્રની દ્રષ્ટિએ ઓક્સિજન નિષ્કર્ષણ માટે “કાચી ધાતુઓ” ગણવામાં આવતા નથી.

ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન પદ્ધતિઓ

ઓક્સિજન મેળવવાની મુખ્ય ઔદ્યોગિક પદ્ધતિઓ નીચે મુજબ છે:

1. પ્રવાહી હવાનું વિભાગીય નિસ્યંદન (ક્રાયોજેનિક એર સેપરેશન)

આ ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળા ઓક્સિજન, નાઇટ્રોજન અને આર્ગોનના મોટા પાયે ઉત્પાદન માટેની સૌથી સામાન્ય અને આર્થિક પદ્ધતિ છે.

પ્રક્રિયાના પગલાં:

1. હવાની પૂર્વ-સારવાર:

   • વાતાવરણીય હવા અંદર લેવામાં આવે છે અને ધૂળના કણોને દૂર કરવા માટે તેને ફિલ્ટર કરવામાં આવે છે.
   • પછી તેને ઉચ્ચ દબાણે (સામાન્ય રીતે 5-10 MPa) સંકુચિત કરવામાં આવે છે.
   • સંકુચિત હવાને મોલેક્યુલર ચાળણી અથવા સક્રિય એલ્યુમિના ધરાવતા શોષકો (adsorbers) માંથી પસાર કરવામાં આવે છે જેથી કાર્બન ડાયોક્સાઇડ (CO₂) અને પાણીની વરાળ (H₂O) દૂર થાય. આ અશુદ્ધિઓ ક્રાયોજેનિક તાપમાને થીજી જશે, જે સાધનોને અવરોધિત કરશે.

2. હવા પ્રવાહીકરણ:

   • શુદ્ધ કરેલી, સંકુચિત હવાને પછી હીટ એક્સ્ચેન્જર્સમાંથી પસાર કરીને નોંધપાત્ર રીતે ઠંડી કરવામાં આવે છે, ઘણીવાર નિસ્યંદન પ્રક્રિયામાંથી મળતા ઠંડા ઉત્પાદનો (નાઇટ્રોજન અને ઓક્સિજન) નો ઉપયોગ કરીને.
   • વધુ ઠંડક અને વિસ્તરણ (દા.ત., જૂલ-થોમસન એક્સપાન્ડર અથવા એક્સપાન્શન ટર્બાઇન દ્વારા) હવાના પ્રવાહીકરણ તરફ દોરી જાય છે. પ્રવાહી હવા મુખ્યત્વે પ્રવાહી નાઇટ્રોજન (ઉત્કલન બિંદુ -196 °C) અને પ્રવાહી ઓક્સિજન (ઉત્કલન બિંદુ -183 °C) નું મિશ્રણ છે.

3. વિભાગીય નિસ્યંદન:

   • પ્રવાહી હવાને વિભાગીય નિસ્યંદન સ્તંભમાં દાખલ કરવામાં આવે છે, જે સામાન્ય રીતે ડબલ સ્તંભ પ્રણાલી (ઉચ્ચ-દબાણ અને નીચા-દબાણ સ્તંભો) હોય છે.
   • ઉચ્ચ-દબાણ સ્તંભ: પ્રવાહી હવા આ સ્તંભમાં પ્રવેશે છે. નાઇટ્રોજન, નીચા ઉત્કલન બિંદુ (-196 °C) સાથે, વધુ સરળતાથી બાષ્પીભવન પામે છે અને ઉપર ચડે છે, જ્યારે ઓક્સિજન, ઊંચા ઉત્કલન બિંદુ (-183 °C) સાથે, પ્રવાહી અવસ્થામાં રહે છે અને તળિયે એકઠો થાય છે. આર્ગોન-સમૃદ્ધ અપૂર્ણાંકને મધ્યમાંથી બહાર કાઢી શકાય છે.
   • નીચા-દબાણ સ્તંભ: ઉચ્ચ-દબાણ સ્તંભમાંથી આંશિક રીતે અલગ થયેલા પ્રવાહોને નીચા-દબાણ સ્તંભમાં વધુ અલગ કરવામાં આવે છે. પ્રવાહી ઓક્સિજન (સામાન્ય રીતે 99.5% શુદ્ધ) તળિયે એકઠો થાય છે, જ્યારે વાયુમય નાઇટ્રોજન (99.99% શુદ્ધ) ટોચ પરથી બહાર નીકળે છે. જો જરૂર હોય તો વધુ શુદ્ધિકરણ પછી નીચા-દબાણ સ્તંભની ટોચ પરથી વાયુમય ઓક્સિજન પણ કાઢી શકાય છે.

શુદ્ધતા અને ઉપયોગો:

• આ પદ્ધતિ દ્વારા ઉત્પાદિત ઓક્સિજન 99.5% થી વધુ શુદ્ધતાના સ્તરે પહોંચી શકે છે.
• સ્ટીલ બનાવવામાં, રાસાયણિક સંશ્લેષણમાં, તબીબી ઉપયોગોમાં, વેલ્ડિંગમાં અને રોકેટ્રીમાં વપરાય છે.

2. પાણીનું વિદ્યુત વિઘટન

આ પદ્ધતિ નાના પાયે ઉત્પાદન માટે અથવા જ્યાં ઉચ્ચ શુદ્ધતા જરૂરી હોય, અને વીજળી પુષ્કળ અને સસ્તી હોય ત્યાં યોગ્ય છે.

સિદ્ધાંત:

પાણી (H₂O) ને હાઇડ્રોજન વાયુ (H₂) અને ઓક્સિજન વાયુ (O₂) માં વિદ્યુત પ્રવાહ પસાર કરીને વિઘટિત કરવામાં આવે છે.

$2H_2O(l) \xrightarrow\{\text\{Electrical energy\}\} 2H_2(g) + O_2(g)$

પ્રક્રિયા સેટઅપ:

• એક વિદ્યુત વિભાજન કોષમાં સામાન્ય રીતે બે નિષ્ક્રિય ઇલેક્ટ્રોડ્સ (દા.ત., પ્લેટિનમ, નિકલ, અથવા સ્ટેનલેસ સ્ટીલ) હોય છે જે જલીય વિદ્યુત વિભાજ્યમાં ડૂબેલા હોય છે.
• પાણીની વિદ્યુત વાહકતા વધારવા માટે વિદ્યુત વિભાજ્ય ઘણીવાર એસિડ (દા.ત., સલ્ફ્યુરિક એસિડ) અથવા બેઝ (દા.ત., પોટેશિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ) નું દ્રાવણ હોય છે.

ઇલેક્ટ્રોડ પ્રતિક્રિયાઓ:

• એનોડ (ધન ઇલેક્ટ્રોડ) પર: ઓક્સિડેશન થાય છે અને ઓક્સિજન વાયુ ઉત્પન્ન થાય છે. $2H_2O(l) \longrightarrow O_2(g) + 4H^+(aq) + 4e^-$ (એસિડિક માધ્યમમાં) અથવા $4OH^-(aq) \longrightarrow O_2(g) + 2H_2O(l) + 4e^-$ (બેઝિક માધ્યમમાં)

• કેથોડ (ઋણ ઇલેક્ટ્રોડ) પર: રિડક્શન થાય છે અને હાઇડ્રોજન વાયુ ઉત્પન્ન થાય છે. $4H^+(aq) + 4e^- \longrightarrow 2H_2(g)$ (એસિડિક માધ્યમમાં) અથવા $4H_2O(l) + 4e^- \longrightarrow 2H_2(g) + 4OH^-(aq)$ (બેઝિક માધ્યમમાં)

શુદ્ધતા અને ઉપયોગો:

• વિદ્યુત વિઘટન દ્વારા ઉત્પાદિત ઓક્સિજન સામાન્ય રીતે ખૂબ જ શુદ્ધ હોય છે (99.999% સુધી), જે તેને વિશિષ્ટ ઉપયોગો માટે યોગ્ય બનાવે છે જ્યાં ઉચ્ચ શુદ્ધતા અત્યંત મહત્વપૂર્ણ હોય છે.
• તબીબી અને ફાર્માસ્યુટિકલ ઉદ્યોગોમાં, પ્રયોગશાળાઓમાં અને ફ્યુઅલ સેલમાં એક ઘટક તરીકે વપરાય છે.

સંગ્રહ અને પરિવહન

ઔદ્યોગિક ઓક્સિજન વિવિધ સ્વરૂપોમાં સંગ્રહિત અને પરિવહન થાય છે:

• સંકુચિત વાયુ: ઉચ્ચ-દબાણવાળા સ્ટીલ સિલિન્ડરોમાં (વાયુમય ઓક્સિજન, O₂ માટે) 200 bar સુધીના દબાણે.
• પ્રવાહી ઓક્સિજન (LOX): મોટા પાયે સંગ્રહ અને પરિવહન માટે ઇન્સ્યુલેટેડ ક્રાયોજેનિક ટાંકીઓ (દેવર) માં, કારણ કે પ્રવાહી ઓક્સિજન વાયુમય ઓક્સિજન કરતાં નોંધપાત્ર રીતે ઓછું કદ રોકે છે.
• સ્થળ પર જ ઉત્પાદન (On-site Generation): ખૂબ મોટા ગ્રાહકો માટે, ઓક્સિજન ઉત્પાદન પ્લાન્ટ્સ (ક્રાયોજેનિક અથવા PSA/VPSA) ઘણીવાર સીધા વપરાશકર્તાની સુવિધા પર જ બનાવવામાં આવે છે.