ફોસ્ફરસ (P) નું ધાતુશાસ્ત્ર અને ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ

1. Natural Occurrence & Major Ores

ફોસ્ફરસ અત્યંત પ્રતિક્રિયાશીલ છે અને પ્રકૃતિમાં તેના મૂળભૂત સ્વરૂપમાં મળતું નથી. તે પૃથ્વીના પોપડામાં સંયોજિત અવસ્થામાં, મુખ્યત્વે ફોસ્ફેટ ખનિજો તરીકે વ્યાપકપણે વિતરિત થયેલું છે.

1.1 Key Ores

• ફોસ્ફોરાઈટ (રોક ફોસ્ફેટ): સૌથી મહત્વપૂર્ણ અયસ્ક, મુખ્યત્વે ટ્રાઇકેલ્શિયમ ફોસ્ફેટનું બનેલું છે.
  • કેમિકલ ફોર્મ્યુલા: Ca₃(PO₄)₂
• એપેટાઈટ કુટુંબ: ફોસ્ફેટ ખનિજોનું એક જૂથ જેનું સામાન્ય સૂત્ર Ca₅(PO₄)₃X છે, જ્યાં X એ F, Cl, અથવા OH હોઈ શકે છે.
  • ફ્લોરએપેટાઈટ: Ca₅(PO₄)₃F (સૌથી સામાન્ય)
  • ક્લોરએપેટાઈટ: Ca₅(PO₄)₃Cl
  • હાઈડ્રોક્સીએપેટાઈટ: Ca₅(PO₄)₃OH (હાડકાં અને દાંતનો મુખ્ય ઘટક)

2. Concentration of the Ore

ખનન કરાયેલા ફોસ્ફેટ ખડકમાં ઘણીવાર અનિચ્છનીય અશુદ્ધિઓ (ગેંગ) જેવી કે સિલિકા, માટી અને કાર્બોનેટ હોય છે. આ અશુદ્ધિઓને દૂર કરવામાં આવે છે જેથી ફોસ્ફેટનું પ્રમાણ વધારી શકાય, જેનાથી અયસ્ક નિષ્કર્ષણ માટે યોગ્ય બને છે.

2.1 Methods of Concentration

• ધોવાણ અને ભરડો: પ્રારંભિક પગલાંઓમાં અયસ્કના ગઠ્ઠાઓને તોડવા અને છૂટી માટીની અશુદ્ધિઓને ધોઈ નાખવાનો સમાવેશ થાય છે. આનાથી અનુગામી પ્રક્રિયાઓ માટે કણોનું કદ પણ ઘટે છે.
• ફ્રોથ ફ્લોટેશન: ઓછી ગુણવત્તાવાળા ફોસ્ફેટ અયસ્કને અપગ્રેડ કરવા માટે આ એક સામાન્ય પદ્ધતિ છે.
  • સારી રીતે પીસેલા અયસ્કને પાણી સાથે ભેળવીને સ્લરી બનાવવામાં આવે છે.
  • સંગ્રાહકો (દા.ત., ઓલિક એસિડ અથવા ફ્યુઅલ ઓઇલ જેવા ફેટી એસિડ) ઉમેરવામાં આવે છે જેથી ફોસ્ફેટ કણોને પસંદગીપૂર્વક હાઈડ્રોફોબિક બનાવી શકાય.
  • ફ્રોથિંગ એજન્ટ્સ (દા.ત., પાઈન તેલ, ક્રેસોલ) ફ્રોથને સ્થિર કરવા માટે ઉમેરવામાં આવે છે.
  • સ્લરીમાંથી હવા પસાર કરવામાં આવે છે; ફોસ્ફેટના કણો હવાના પરપોટા સાથે ચોંટી જાય છે અને ફ્રોથ તરીકે સપાટી પર આવે છે, જેને પછી સ્કિમ કરી લેવામાં આવે છે. ગેંગ (દા.ત., સિલિકેટ્સ) નીચે બેસી જાય છે.
• ગ્રેવીટી સેપરેશન: ફોસ્ફેટ અયસ્ક માટે ઓછા વારંવાર ઉપયોગમાં લેવાય છે કારણ કે કણોનું કદ ઝીણું હોય છે અને કેટલીક ગેંગની ઘનતા ઘણીવાર સમાન હોય છે, પરંતુ જો ઘનતાનો તફાવત પૂરતો હોય તો ચોક્કસ અયસ્કના પ્રકારો માટે તેનો ઉપયોગ કરી શકાય છે.

3. Reduction to Crude Phosphorus (Industrial Extraction)

મૂળભૂત ફોસ્ફરસ (ખાસ કરીને, સફેદ ફોસ્ફરસ, P₄) સાંદ્ર ફોસ્ફેટ ખડકમાંથી ઇલેક્ટ્રિક ભઠ્ઠી પ્રક્રિયા નો ઉપયોગ કરીને વ્યાવસાયિક રીતે નિષ્કર્ષિત થાય છે. આ પદ્ધતિમાં સિલિકાની હાજરીમાં કોક દ્વારા કેલ્શિયમ ફોસ્ફેટનું રિડક્શન સામેલ છે.

3.1 Electric Furnace Process

• સિદ્ધાંત: આ પ્રક્રિયામાં સાંદ્ર ફોસ્ફેટ ખડક, સિલિકા (રેતી) અને કોક (કાર્બન) ના મિશ્રણને ઇલેક્ટ્રિક ભઠ્ઠીમાં ખૂબ ઊંચા તાપમાને ગરમ કરવાનો સમાવેશ થાય છે.
• પ્રક્રિયકો:
  • સાંદ્ર ફોસ્ફોરાઈટ: Ca₃(PO₄)₂
  • સિલિકા: SiO₂ (એસિડિક ફ્લક્સ તરીકે કાર્ય કરે છે)
  • કોક: C (રિડ્યુસિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરે છે)
• પ્રક્રિયાના પગલાં:
  1. આ કાચા માલના કાળજીપૂર્વક પ્રમાણિત મિશ્રણને ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડ્સથી સજ્જ એક મોટી, બંધ ઇલેક્ટ્રિક ભઠ્ઠીમાં સતત ભળવામાં આવે છે.
  2. ઇલેક્ટ્રોડ્સ વચ્ચેના ઇલેક્ટ્રિક આર્ક તીવ્ર ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે, જે 1400-1500 °C તાપમાન સુધી પહોંચે છે.
  3. આ ઊંચા તાપમાને, સિલિકા કેલ્શિયમ ફોસ્ફેટ સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને કેલ્શિયમ સિલિકેટ સ્લેગ અને ફોસ્ફરસ પેન્ટોક્સાઇડ બનાવે છે (જે પછી કોક દ્વારા રિડ્યુસ થાય છે). એકંદર પ્રતિક્રિયા છે:

     2Ca₃(PO₄)₂(s) + 6SiO₂(s) + 10C(s) → 6CaSiO₃(l) + P₄(g) + 10CO(g)
     

     • SiO₂ ની ભૂમિકા: તે કેલ્શિયમ ફોસ્ફેટના બેઝિક કેલ્શિયમ ઓક્સાઇડ ભાગ સાથે જોડાઈને સરળતાથી ગળી શકાય તેવો કેલ્શિયમ સિલિકેટ સ્લેગ (CaSiO₃) બનાવે છે, જે ફોસ્ફરસ ઓક્સાઇડ કરતાં ઓછો બાષ્પશીલ હોય છે, જેનાથી ફોસ્ફરસના પ્રકાશનમાં મદદ મળે છે.
     • C ની ભૂમિકા: કોક એક મજબૂત રિડ્યુસિંગ એજન્ટ તરીકે કાર્ય કરે છે, જે બનેલા ફોસ્ફરસ ઓક્સાઇડ્સ (અથવા સીધા ફોસ્ફેટ) ને મૂળભૂત ફોસ્ફરસમાં રિડ્યુસ કરે છે.
• ઉત્પાદનો:
  • ફોસ્ફરસ વરાળ (P₄): આ ઇચ્છિત ઉત્પાદન છે, જે ભઠ્ઠીના તાપમાને ગેસ તરીકે અસ્તિત્વ ધરાવે છે.
  • કાર્બન મોનોક્સાઇડ (CO) ગેસ: એક ઉપ-ઉત્પાદન, જે ઘણીવાર એકત્રિત કરીને બળતણ તરીકે ઉપયોગમાં લેવાય છે.
  • પિગળેલું કેલ્શિયમ સિલિકેટ (CaSiO₃) સ્લેગ: એક ઉપ-ઉત્પાદન, જે પ્રતિક્રિયા વાયુઓ કરતાં ગાઢ અને અદ્રાવ્ય હોય છે, અને ભઠ્ઠીના તળિયેથી કાઢી નાખવામાં આવે છે.
• ફોસ્ફરસનું એકત્રીકરણ:
  • P₄ વરાળ અને CO ગેસનું ગરમ મિશ્રણ ભઠ્ઠીના ઉપરના ભાગમાંથી બહાર કાઢવામાં આવે છે.
  • આ વાયુ મિશ્રણને પછી પાણી-ઠંડા કન્ડેન્સર્સ અથવા સ્પ્રે ટાવર્સમાંથી પસાર કરીને ઝડપથી ઠંડું કરવામાં આવે છે.
  • ફોસ્ફરસ વરાળ પ્રવાહી સફેદ ફોસ્ફરસ (P₄) માં ઘનીભૂત થાય છે, જેને હવામાં તેના સ્વયંસ્ફુરિત દહનને રોકવા માટે પાણીની નીચે એકત્રિત કરવામાં આવે છે.

4. Refining and Purification

ઇલેક્ટ્રિક ભઠ્ઠી પ્રક્રિયામાંથી મેળવેલો સફેદ ફોસ્ફરસ સામાન્ય રીતે ઘણી ઔદ્યોગિક એપ્લિકેશન્સ માટે પૂરતો શુદ્ધ હોય છે. જોકે, જો ઊંચી શુદ્ધતાની જરૂર હોય તો વધુ શુદ્ધિકરણના પગલાં લઈ શકાય છે.

4.1 Methods of Refining

• નિસ્યંદન: સફેદ ફોસ્ફરસને શુદ્ધ કરવા માટેની સૌથી સામાન્ય પદ્ધતિ. સફેદ ફોસ્ફરસનું ઉત્કલનબિંદુ પ્રમાણમાં ઓછું (280.5 °C) હોય છે. ક્રૂડ સફેદ ફોસ્ફરસને ગરમ કરીને, તેને બાષ્પીભૂત કરી શકાય છે અને પછી ફરીથી ઘનીભૂત કરી શકાય છે, તેને અબાષ્પશીલ અશુદ્ધિઓથી અલગ પાડી શકાય છે.
• રાસાયણિક પ્રક્રિયા: આર્સેનિક (ઘણીવાર આર્સેનિયસ ઓક્સાઇડ, As₂O₃ તરીકે હાજર હોય છે) જેવી ટ્રેસ અશુદ્ધિઓને કેટલીકવાર રાસાયણિક પદ્ધતિઓ દ્વારા દૂર કરી શકાય છે, જોકે નિસ્યંદન સામાન્ય રીતે વધુ અસરકારક હોય છે. ઉદાહરણ તરીકે, કેટલાક ઓક્સિડાઇઝિંગ એજન્ટ્સ આર્સેનિક સંયોજનોને ઓછા બાષ્પશીલ સ્વરૂપોમાં રૂપાંતરિત કરી શકે છે. જોકે, વ્યાપારી સફેદ ફોસ્ફરસ માટે, કાચા માલની શુદ્ધતાનું કાળજીપૂર્વક નિયંત્રણ અને કાર્યક્ષમ નિસ્યંદન સામાન્ય રીતે પૂરતા હોય છે.