ઝીંક (Zn) નું ધાતુશાસ્ત્ર અને ઔદ્યોગિક નિષ્કર્ષણ

કુદરતી ઉપલબ્ધતા અને મુખ્ય કાચી ધાતુઓ

ઝીંક એક મધ્યમ પ્રતિક્રિયાશીલ ધાતુ છે અને તેથી, તે પ્રકૃતિમાં તેની મૂળ (મુક્ત) સ્થિતિમાં જોવા મળતી નથી. તે મુખ્યત્વે વિવિધ કાચી ધાતુઓના સંયોજિત સ્વરૂપોમાં જોવા મળે છે.

ઝીંકની મુખ્ય કાચી ધાતુઓ

1. ઝીંક બ્લેન્ડ (સ્ફાલેરાઇટ): ZnS (સલ્ફાઇડ કાચી ધાતુ) – આ ઔદ્યોગિક ઝીંક નિષ્કર્ષણ માટે સૌથી મહત્વપૂર્ણ અને પુષ્કળ કાચી ધાતુ છે. તે ઘણીવાર ગેલેના (PbS) અને આયર્ન પાયરાઇટ્સ (FeS₂) સાથે મિશ્રિત જોવા મળે છે.
2. કેલામાઇન (સ્મિથસોનાઇટ): ZnCO₃ (કાર્બોનેટ કાચી ધાતુ) – એક મહત્વપૂર્ણ ગૌણ કાચી ધાતુ.
3. ઝીન્કાઇટ: ZnO (ઓક્સાઇડ કાચી ધાતુ) – ઓછી સામાન્ય છે પરંતુ ઝીંકનો સ્ત્રોત પણ છે.

કાચી ધાતુનું સંકેન્દ્રણ

ધાતુશાસ્ત્રમાં પ્રથમ પગલું કાચી ધાતુનું સંકેન્દ્રણ છે, જેમાં કાચી ધાતુમાંથી ગેંગ (અનિચ્છનીય ખડકાળ પદાર્થ) દૂર કરવામાં આવે છે. પસંદ કરેલી પદ્ધતિ કાચી ધાતુ અને ગેંગના સ્વભાવ પર આધાર રાખે છે.

ઝીંક બ્લેન્ડ (ZnS) માટે – ફીણ પ્લવન પદ્ધતિ

સલ્ફાઇડ કાચી ધાતુ, ઝીંક બ્લેન્ડ, તેના જળ-વિરોધી (હાઈડ્રોફોબિક) સ્વભાવ અને તેને અન્ય સલ્ફાઇડ્સ અથવા ગેંગમાંથી પસંદગીપૂર્વક અલગ કરવાની ક્ષમતાને કારણે ફીણ પ્લવન પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને સંકેન્દ્રિત કરવામાં આવે છે.

1. સિદ્ધાંત: આ પ્રક્રિયામાં, બારીક પીસેલા સલ્ફાઇડ કાચી ધાતુના કણોને ગેંગમાંથી અલગ કરવામાં આવે છે. કાચી ધાતુને તેલ (દા.ત., પાઈન તેલ, ઝેન્થેટ્સ) વડે અને ગેંગને પાણી વડે પ્રાધાન્યપૂર્વક ભીંજવવામાં આવે છે. પછી મિશ્રણમાંથી હવા પસાર કરીને ફીણ બનાવવામાં આવે છે.
2. પ્રક્રિયા:
   • બારીક કચરેલી કાચી ધાતુને પાણી સાથે મિશ્ર કરીને સ્લરી બનાવવામાં આવે છે.
   • સંગ્રાહકો (Collectors): પાઈન તેલ, ફેટી એસિડ્સ અથવા ઝેન્થેટ્સ જેવા પદાર્થો ઉમેરવામાં આવે છે. તેઓ સલ્ફાઇડ કાચી ધાતુના કણો સાથે પસંદગીપૂર્વક જોડાય છે, તેમને જળ-વિરોધી (હાઈડ્રોફોબિક) બનાવે છે.
   • ફીણકારકો (Frothers): ફીણને સ્થિર કરવા માટે ક્રેસોલ્સ અથવા એનિલીન જેવા રસાયણો ઉમેરવામાં આવે છે.
   • અવસાદકો (Depressants): જ્યારે ZnS, PbS સાથે સંકળાયેલું હોય ત્યારે સોડિયમ સાયનાઇડ (NaCN) અથવા સોડિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ (NaOH) ઉમેરી શકાય છે. NaCN પસંદગીપૂર્વક ZnS ને ફીણ સાથે આવતા અટકાવે છે, જેથી PbS ને પહેલા પ્લવન કરી શકાય છે. પાછળથી, ZnS ને પ્લવન કરી શકાય છે.
   • મિશ્રણમાં જોરશોરથી હવા ફૂંકવામાં આવે છે, જેનાથી ફીણ બને છે જે કાચી ધાતુના કણોને સપાટી પર લઈ જાય છે, જ્યારે ગેંગ નીચે બેસી જાય છે. પછી ફીણને ઉપરથી દૂર કરવામાં આવે છે.

ક્રૂડ ધાતુમાં રિડક્શન

સંકેન્દ્રણ પછી, કાચી ધાતુને રિડક્શન માટે યોગ્ય સ્વરૂપમાં, સામાન્ય રીતે ઓક્સાઇડમાં રૂપાંતરિત કરવામાં આવે છે, અને પછી ક્રૂડ ધાતુમાં રિડ્યુસ કરવામાં આવે છે.

1. કાચી ધાતુનું ઝીંક ઓક્સાઇડ (ZnO) માં રૂપાંતરણ

સલ્ફાઇડ અને કાર્બોનેટ બંને કાચી ધાતુઓને પહેલા ઝીંક ઓક્સાઇડમાં રૂપાંતરિત કરવામાં આવે છે.

a. ભુંજન (ZnS કાચી ધાતુ)

• પ્રક્રિયા: ઝીંક બ્લેન્ડ (ZnS) ને ફ્લુઇડાઇઝ્ડ બેડ રોસ્ટરમાં ઉચ્ચ તાપમાને (સામાન્ય રીતે 900-1000°C) વધુ હવાઓની હાજરીમાં સખત રીતે ગરમ કરવામાં આવે છે. આ સલ્ફાઇડને ઓક્સાઇડ અને સલ્ફર ડાયોક્સાઇડ વાયુમાં રૂપાંતરિત કરે છે.
• પ્રતિક્રિયા: 2ZnS(s) + 3O₂(g) \rightarrow 2ZnO(s) + 2SO₂(g)
• નોંધ: ઉત્પન્ન થયેલ SO₂ સામાન્ય રીતે સંગ્રહિત કરવામાં આવે છે અને સલ્ફ્યુરિક એસિડ (H₂SO₄) ના ઉત્પાદન માટે ઉપયોગમાં લેવાય છે.

b. કેલ્સિનેશન (ZnCO₃ કાચી ધાતુ)

• પ્રક્રિયા: કેલામાઇન (ZnCO₃) કાચી ધાતુને હવા વગર 800-900°C તાપમાને રોટરી ભઠ્ઠીઓમાં ગરમ કરવામાં આવે છે. આ કાર્બોનેટનું ઝીંક ઓક્સાઇડ અને કાર્બન ડાયોક્સાઇડમાં વિઘટન કરે છે.
• પ્રતિક્રિયા: ZnCO₃(s) \rightarrow ZnO(s) + CO₂(g)

2. ઝીંક ઓક્સાઇડ (ZnO) નું ક્રૂડ ઝીંકમાં રિડક્શન

ઝીંક ઓક્સાઇડને ધાતુ ઝીંકમાં રિડ્યુસ કરવા માટે બે મુખ્ય પદ્ધતિઓ છે:

a. ગલન (કાર્બન રિડક્શન પ્રક્રિયા)

• સિદ્ધાંત: ઝીંકનો ઉત્કલનબિંદુ પ્રમાણમાં ઓછો (907°C) છે, જે જરૂરી રિડક્શન તાપમાન (1100-1400°C) કરતાં ઓછો છે. તેથી, ઝીંક વરાળ તરીકે પ્રાપ્ત થાય છે અને તેને ઝડપથી ઠંડુ કરવું આવશ્યક છે.
• પ્રક્રિયા:
  • સંકેન્દ્રિત ZnO (ભુંજન અથવા કેલ્સિનેશનમાંથી પ્રાપ્ત) ને પાઉડર કરેલા કોક (કાર્બન) સાથે મિશ્ર કરીને વર્ટિકલ રિટોર્ટ્સ અથવા ઇલેક્ટ્રોથર્મિક ભઠ્ઠીઓમાં ગરમ ​​કરવામાં આવે છે.
  • પ્રતિક્રિયા: ZnO(s) + C(s) \rightarrow Zn(g) + CO(g) (1100-1400°C તાપમાને)
  • ઉત્પન્ન થયેલ ઝીંક વરાળને પ્રવાહી ઝીંક (“સ્પેલ્ટર” તરીકે ઓળખાય છે) બનાવવા માટે વિશિષ્ટ કન્ડેન્સરમાં ઝડપથી ઠંડુ કરવામાં આવે છે. ઝીંકનું પુનઃ-ઓક્સિડેશન અથવા ઝીંક ધૂળનું નિર્માણ અટકાવવા માટે ઝડપી ઠંડક આવશ્યક છે.
• ક્રૂડ ધાતુ: પ્રાપ્ત થયેલ સ્પેલ્ટરમાં સામાન્ય રીતે સીસું, કેડમિયમ અને આયર્ન જેવી અશુદ્ધિઓ હોય છે.

b. વિદ્યુત વિભાજન પ્રક્રિયા (હાઈડ્રોમેટલર્જી)

આ પદ્ધતિ વધુને વધુ લોકપ્રિય બની રહી છે, ખાસ કરીને નીચી-ગુણવત્તાવાળી કાચી ધાતુઓ માટે અથવા જ્યારે ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળા ઝીંકની જરૂર હોય ત્યારે.

1. નિષ્કાલન (Leaching): ભુંજન કરેલા અથવા કેલ્સિન કરેલા ZnO ને મંદ સલ્ફ્યુરિક એસિડ વડે નિષ્કાલિત કરવામાં આવે છે જેથી ઝીંક સલ્ફેટ દ્રાવણ બને.
   • પ્રતિક્રિયા: ZnO(s) + H₂SO₄(aq) \rightarrow ZnSO₄(aq) + H₂O(l)
2. ZnSO₄ દ્રાવણનું શુદ્ધિકરણ**: દ્રાવણને અશુદ્ધિઓ (દા.ત., Fe, Cu, Cd, Ni, Co) દૂર કરવા માટે સખત રીતે શુદ્ધ કરવું આવશ્યક છે જે વિદ્યુત વિભાજનમાં અવરોધ ઊભો કરી શકે છે અથવા ઝીંક સાથે જમા થઈ શકે છે. આ સામાન્ય રીતે ઝીંક ધૂળ ઉમેરીને કરવામાં આવે છે, જે દ્રાવણમાંથી વધુ વિદ્યુતધનાત્મક ધાતુઓને વિસ્થાપિત કરે છે.
   • ઉદાહરણ: CuSO₄(aq) + Zn(s) \rightarrow ZnSO₄(aq) + Cu(s)
3. વિદ્યુત વિભાજન: શુદ્ધ કરેલા ZnSO₄ દ્રાવણને નિષ્ક્રિય સીસાના એનોડ અને શુદ્ધ એલ્યુમિનિયમના કેથોડનો ઉપયોગ કરીને વિદ્યુત વિભાજન કરવામાં આવે છે.
   • કેથોડ પર: Zn²⁺(aq) + 2e⁻ \rightarrow Zn(s) (શુદ્ધ ઝીંક એલ્યુમિનિયમના કેથોડ પર જમા થાય છે).
   • એનોડ પર: H₂O(l) \rightarrow 2H⁺(aq) + ½O₂(g) + 2e⁻ (ઓક્સિજન વાયુ મુક્ત થાય છે, અને સલ્ફ્યુરિક એસિડ પુનઃઉત્પાદિત થાય છે).

• ઉત્પાદન: આ પ્રક્રિયા ખૂબ જ ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળું ઝીંક (99.9% થી 99.99%) આપે છે.

શુદ્ધિકરણ

રિડક્શન પ્રક્રિયાઓમાંથી મેળવેલા ક્રૂડ ઝીંકમાં ઘણીવાર અશુદ્ધિઓ હોય છે અને ઔદ્યોગિક વિશિષ્ટતાઓને પૂર્ણ કરવા માટે તેને વધુ શુદ્ધિકરણની જરૂર પડે છે.

1. વિભાગીય નિસ્યંદન (ગાળેલા ઝીંક માટે)

• સિદ્ધાંત: આ પદ્ધતિ ઝીંક અને તેની સામાન્ય અશુદ્ધિઓ (દા.ત., Pb, Fe, Cd) વચ્ચેના ઉત્કલનબિંદુના નોંધપાત્ર તફાવતોનો ઉપયોગ કરે છે. ઝીંકનો ઉત્કલનબિંદુ 907°C છે.
• પ્રક્રિયા:
  • ક્રૂડ પીગળેલા ઝીંક (સ્પેલ્ટર) ને નિસ્યંદન સ્તંભમાં દાખલ કરવામાં આવે છે.
  • ઝીંક બાષ્પીભૂત થાય છે, સાથે કોઈપણ વધુ અસ્થિર અશુદ્ધિઓ (જેમ કે કેડમિયમ, ઉત્કલનબિંદુ ~767°C). ઓછી અસ્થિર અશુદ્ધિઓ (જેમ કે સીસું, ઉત્કલનબિંદુ ~1749°C; આયર્ન, ઉત્કલનબિંદુ ~2861°C) પ્રવાહી તબક્કામાં રહે છે.
  • ઝીંક વરાળને ઠંડી કરવામાં આવે છે, અને જો કેડમિયમ હાજર હોય તો બીજા નિસ્યંદન દ્વારા વધુ વિભાજન પ્રાપ્ત કરી શકાય છે.
• શુદ્ધતા: આ પ્રક્રિયા 99.95% સુધીની શુદ્ધતા સાથે ઝીંક આપી શકે છે.

2. વિદ્યુત વિભાજન શુદ્ધિકરણ (ગાળેલા અથવા ઉચ્ચ-શુદ્ધતાની જરૂરિયાતો માટે)

જ્યારે વિદ્યુત વિભાજન પ્રક્રિયા પહેલેથી જ ઉચ્ચ-શુદ્ધતાવાળું ઝીંક આપે છે, ત્યારે જો અતિ-ઉચ્ચ શુદ્ધતાની જરૂર હોય તો વધુ વિદ્યુત વિભાજન શુદ્ધિકરણ કરી શકાય છે.

• પ્રક્રિયા:
  • અશુદ્ધ ઝીંક એનોડ તરીકે કાર્ય કરે છે.
  • શુદ્ધ ઝીંક અથવા એલ્યુમિનિયમની પાતળી શીટ કેથોડ તરીકે કાર્ય કરે છે.
  • ઝીંક સલ્ફેટ દ્રાવણ ધરાવતા ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો ઉપયોગ થાય છે.
  • વિદ્યુત વિભાજન દરમિયાન, શુદ્ધ ઝીંક કેથોડ પર જમા થાય છે, જ્યારે વધુ વિદ્યુતધનાત્મક અશુદ્ધિઓ (દા.ત., Fe, Ni) એનોડ સ્લજમાં રહે છે, અને ઓછી વિદ્યુતધનાત્મક અશુદ્ધિઓ (દા.ત., Cd) ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં ઓગળી જાય છે.
• શુદ્ધતા: 99.99% થી વધુ શુદ્ધતા પ્રાપ્ત કરી શકાય છે.