एल्युमीनियम (Al) का धातु-कर्म और निष्कर्षण

प्राकृतिक उपलब्धता और प्रमुख अयस्क

एल्युमीनियम पृथ्वी की पपड़ी में सबसे प्रचुर धातु और तीसरा सबसे प्रचुर तत्व है। इसकी उच्च अभिक्रियाशीलता के कारण यह अपनी मुक्त धात्विक अवस्था में नहीं पाया जाता है।

एल्युमीनियम के प्राथमिक अयस्क

1. बॉक्साइट: औद्योगिक निष्कर्षण के लिए सबसे महत्वपूर्ण अयस्क। यह एक जलयोजित एल्युमीनियम ऑक्साइड है।
   • रासायनिक सूत्र: Al₂O₃·2H₂O (अक्सर Al₂O₃·nH₂O के रूप में दर्शाया जाता है)
   • संघटन: इसमें 50-70% Al₂O₃ के साथ-साथ लौह ऑक्साइड (Fe₂O₃), सिलिका (SiO₂) और टाइटेनियम डाइऑक्साइड (TiO₂) जैसी अशुद्धियाँ होती हैं।
2. कोरंडम: निर्जल एल्युमीनियम ऑक्साइड।
   • रासायनिक सूत्र: Al₂O₃
3. क्रायोलाइट: सोडियम हेक्साफ्लोरोएलुमिनेट। इसका उपयोग निष्कर्षण प्रक्रिया में एक विद्युत अपघट्य के रूप में किया जाता है, न कि स्वयं एल्युमीनियम धातु के लिए एक प्राथमिक अयस्क के रूप में।
   • रासायनिक सूत्र: Na₃AlF₆
4. फेल्डस्पार: पोटेशियम एल्युमीनियम सिलिकेट।
   • रासायनिक सूत्र: KAlSi₃O₈

अयस्क (बॉक्साइट) का सांद्रण

प्रमुख अयस्क, बॉक्साइट को रासायनिक निक्षालन द्वारा सांद्रित किया जाता है, विशेष रूप से बेयर प्रक्रम द्वारा। यह विधि लौह ऑक्साइड, सिलिका और टाइटेनियम डाइऑक्साइड जैसी अशुद्धियों को हटाकर कच्चे बॉक्साइट को शुद्ध करती है, जिससे शुद्ध एलुमिना (Al₂O₃) प्राप्त होता है।

बेयर प्रक्रम के चरण

1. पाचन (कॉस्टिक सोडा के साथ निक्षालन):

   • बारीक पिसे हुए बॉक्साइट अयस्क को 150-200°C पर उच्च दाब (8-10 atm) में सोडियम हाइड्रॉक्साइड (NaOH) के एक सांद्रित विलयन (45-50%) के साथ गर्म किया जाता है।
   • एल्युमीनियम ऑक्साइड (उभयधर्मी होने के कारण) NaOH के साथ अभिक्रिया करके घुलनशील सोडियम मेटा-एलुमिनेट बनाता है, जबकि लौह ऑक्साइड (Fe₂O₃) जैसी प्रमुख अशुद्धियाँ अघुलनशील रहती हैं। सिलिका (SiO₂) अभिक्रिया करके घुलनशील सोडियम सिलिकेट (Na₂SiO₃) बनाती है, लेकिन इसे बाद में अवक्षेपित किया जा सकता है या स्थितियों को नियंत्रित करके प्रबंधित किया जा सकता है।
   • अभिक्रिया: Al₂O₃·2H₂O(s) + 2NaOH(aq) + H₂O(l) $\xrightarrow\{150-200^\circ C, \text\{उच्च दाब\}\}$ 2NaAl(OH)₄ (सोडियम मेटा-एलुमिनेट)
   • अघुलनशील अशुद्धियों (लाल मिट्टी, मुख्य रूप से Fe₂O₃) को फिर छान लिया जाता है।

2. एल्युमीनियम हाइड्रॉक्साइड का अवक्षेपण:

   • सोडियम मेटा-एलुमिनेट के स्पष्ट विलयन को पानी से पतला किया जाता है और लगभग 50-60°C तक ठंडा किया जाता है।
   • फिर इसमें ताजे तैयार एल्युमीनियम हाइड्रॉक्साइड [Al(OH)₃] क्रिस्टल के बीज डाले जाते हैं। यह सोडियम मेटा-एलुमिनेट के जल-अपघटन और शुद्ध एल्युमीनियम हाइड्रॉक्साइड के अवक्षेपण को बढ़ावा देता है।
   • अभिक्रिया: NaAl(OH)₄ $\xrightarrow\{\text\{तनुकरण, शीतलन, बीजारोपण\}\}$ Al(OH)₃(s) + NaOH(aq)
   • NaOH को पुनः प्राप्त किया जाता है और प्रक्रिया में पुन: उपयोग किया जा सकता है, जिससे यह किफायती हो जाता है।

3. निस्तापन:

   • अवक्षेपित एल्युमीनियम हाइड्रॉक्साइड को छाना, धोया और सुखाया जाता है।
   • फिर इसे 1000-1200°C पर जोरदार गर्म (निस्तापित) किया जाता है ताकि शुद्ध, निर्जल एलुमिना प्राप्त हो सके।
   • अभिक्रिया: 2Al(OH)₃(s) $\xrightarrow\{1000-1200^\circ C\}$ Al₂O₃(s) + 3H₂O(g)
   • इस शुद्ध एलुमिना (Al₂O₃) का उपयोग फिर विद्युत अपघटनी अपचयन के लिए किया जाता है।

कच्चे धातु में अपचयन (हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रम)

एल्युमीनियम धातु को शुद्ध एलुमिना से हॉल-हेरॉल्ट विद्युत अपघटनी प्रक्रम द्वारा निकाला जाता है। एलुमिना का गलनांक बहुत अधिक (2072°C) होता है, जिससे सीधा विद्युत अपघटन अव्यावहारिक हो जाता है। इसलिए, इसे एक पिघले हुए विद्युत अपघट्य में घोला जाता है।

सिद्धांत

एलुमिना को पिघले हुए क्रायोलाइट (Na₃AlF₆) में घोला जाता है, जो मिश्रण के गलनांक को लगभग 950-1000°C तक काफी कम कर देता है और इसकी विद्युत चालकता को बढ़ाता है। गलनांक को और कम करने और चालकता में सुधार के लिए फ्लुओरस्पार (CaF₂) भी मिलाया जाता है।

विद्युत अपघटनी सेल की संरचना

• पात्र: कार्बन (ग्रेफाइट) से ढका एक बड़ा स्टील टैंक, जो कैथोड के रूप में कार्य करता है।
• एनोड: कई मोटी ग्रेफाइट की छड़ों को पिघले हुए विद्युत अपघट्य में निलंबित किया जाता है।
• विद्युत अपघट्य: 2-10% शुद्ध एलुमिना (Al₂O₃), 80-90% क्रायोलाइट (Na₃AlF₆), और 5-7% फ्लुओरस्पार (CaF₂) युक्त एक पिघला हुआ मिश्रण। तापमान लगभग 950-1000°C पर बनाए रखा जाता है।
• उत्पाद: पिघला हुआ एल्युमीनियम, विद्युत अपघट्य से सघन होने के कारण, सेल के तल पर जमा हो जाता है और समय-समय पर निकाल लिया जाता है।

विद्युत रासायनिक अभिक्रियाएँ

1. विद्युत अपघट्य में आयनीकरण: पिघले हुए क्रायोलाइट में, एलुमिना आयनों में टूट जाता है।
   • Al₂O₃ $\rightleftharpoons$ 2Al³⁺ + 3O²⁻
2. कैथोड पर (कार्बन अस्तर):
   • एल्युमीनियम आयन (Al³⁺) ऋणात्मक आवेशित कैथोड की ओर पलायन करते हैं और इलेक्ट्रॉन प्राप्त करते हैं, जिससे वे पिघले हुए एल्युमीनियम धातु में अपचयित हो जाते हैं।
   • अभिक्रिया: Al³⁺(melt) + 3e⁻ → Al(l)
3. एनोड पर (ग्रेफाइट की छड़ें):
   • ऑक्साइड आयन (O²⁻) धनात्मक आवेशित ग्रेफाइट एनोड्स की ओर पलायन करते हैं और इलेक्ट्रॉन खो देते हैं, जिससे ऑक्सीजन गैस बनती है।
   • अभिक्रिया: 2O²⁻(melt) → O₂(g) + 4e⁻
   • उत्पादित ऑक्सीजन गैस फिर गर्म ग्रेफाइट एनोड्स के साथ अभिक्रिया करती है, उन्हें कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) और कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) में ऑक्सीकृत करती है। इसका मतलब है कि एनोड्स लगातार खपत होते हैं और उन्हें नियमित रूप से बदलना पड़ता है।
   • एनोड खपत अभिक्रियाएँ:
     • C(s) + O₂(g) → CO₂(g)
     • 2C(s) + O₂(g) → 2CO(g)

कुल अभिक्रिया

2Al₂O₃(melt) + 3C(s) $\xrightarrow\{\text\{विद्युत अपघटन\}\}$ 4Al(l) + 3CO₂(g)

ऊर्जा आवश्यकताएँ

हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रम अत्यधिक ऊर्जा-गहन है, जिसके लिए बड़ी मात्रा में बिजली की आवश्यकता होती है।

शोधन और शुद्धिकरण (हूप का प्रक्रम)

हॉल-हेरॉल्ट प्रक्रम से प्राप्त एल्युमीनियम लगभग 99.5% शुद्ध होता है। 99.9% या उच्च शुद्धता वाले एल्युमीनियम को प्राप्त करने के लिए आगे का शुद्धिकरण हूप के विद्युत अपघटनी शोधन प्रक्रम द्वारा किया जाता है।

सिद्धांत

यह प्रक्रिया पिघली हुई सामग्रियों की तीन अलग-अलग परतों के साथ एक विद्युत अपघटनी सेल का उपयोग करती है, जो घनत्व में भिन्न होती हैं, ताकि अशुद्ध एनोड से शुद्ध कैथोड तक शुद्ध एल्युमीनियम का चुनिंदा स्थानांतरण हो सके।

हूप के सेल की संरचना

• कैथोड (शीर्ष परत): शुद्ध पिघला हुआ एल्युमीनियम शीर्ष पर जमा होता है। इस परत में कार्बन इलेक्ट्रोड डूबे होते हैं, जो कैथोड के रूप में कार्य करते हैं।
• विद्युत अपघट्य (मध्य परत): Al, Na और Ba के फ्लोराइड का एक पिघला हुआ मिश्रण (जैसे AlF₃, Na₃AlF₆, BaF₂) का उपयोग किया जाता है। इस परत का घनत्व शुद्ध और अशुद्ध एल्युमीनियम परतों के बीच का होता है।
• एनोड (निचली परत): अशुद्ध पिघला हुआ एल्युमीनियम, तांबे के साथ मिश्रित (अपने घनत्व और विद्युत चालकता को बढ़ाने के लिए), एनोड के रूप में कार्य करता है। इस परत में कार्बन इलेक्ट्रोड डूबे होते हैं।
• पार्श्व दीवारें: सेल में एक दुर्दम्य अस्तर (जैसे कार्बन ईंटें) होती है जो उच्च तापमान का सामना कर सकती है और किनारों से धारा के रिसाव को रोक सकती है।

विद्युत रासायनिक अभिक्रियाएँ

1. एनोड पर (निचली परत):
   • नीचे की परत से अशुद्ध एल्युमीनियम ऑक्सीकृत होता है, इलेक्ट्रॉनों को खोकर Al³⁺ आयन बनाता है जो विद्युत अपघट्य परत में पलायन करते हैं।
   • अभिक्रिया: Al(impure, l) → Al³⁺(electrolyte) + 3e⁻
   • भारी अशुद्धियाँ (जैसे तांबा, लोहा, सिलिकॉन) निचली परत में रहती हैं।
2. कैथोड पर (शीर्ष परत):
   • विद्युत अपघट्य से Al³⁺ आयन शीर्ष परत (कैथोड) की ओर ऊपर की ओर पलायन करते हैं, इलेक्ट्रॉन प्राप्त करते हैं, और शुद्ध पिघले हुए एल्युमीनियम में अपचयित हो जाते हैं।
   • अभिक्रिया: Al³⁺(electrolyte) + 3e⁻ → Al(pure, l)

परिणाम

जैसे-जैसे विद्युत अपघटन आगे बढ़ता है, शुद्ध एल्युमीनियम उत्तरोत्तर शीर्ष परत में जमा होता जाता है, जबकि अशुद्धियाँ निचली एनोड परत में रहती हैं। इससे बहुत उच्च शुद्धता वाला एल्युमीनियम प्राप्त होता है।