क्लोरीन (Cl) का धातुकर्म और औद्योगिक निष्कर्षण

प्राकृतिक उपस्थिति और प्रमुख स्रोत

क्लोरीन एक अत्यधिक अभिक्रियाशील हैलोजन है और प्रकृति में अपने मौलिक रूप में नहीं पाया जाता है। यह विशेष रूप से विभिन्न आयनिक यौगिकों में क्लोराइड आयनों (Cl⁻) के रूप में पाया जाता है।

1. समुद्री जल: यह सबसे प्रचुर स्रोत है, जिसमें लगभग 2.7% (w/v) सोडियम क्लोराइड (NaCl) के साथ अन्य धातु क्लोराइड (जैसे, MgCl₂, CaCl₂) की कम मात्रा होती है।
2. ब्राइन कुएँ: केंद्रित नमक के घोल के भूमिगत भंडार।
3. सेंधा नमक (हैलाइट): सोडियम क्लोराइड (NaCl) के ठोस जमाव।
4. कार्नालाइट: एक दोहरा लवण, KCl·MgCl₂·6H₂O।
5. सिल्वाइट: पोटेशियम क्लोराइड (KCl)।

मौलिक क्लोरीन के औद्योगिक निष्कर्षण के लिए, सोडियम क्लोराइड इसकी प्रचुरता और इलेक्ट्रोलीज़ की सुगमता के कारण प्राथमिक कच्चा माल है।

स्रोत सामग्री का सांद्रण

धात्विक अयस्कों के विपरीत, जिन्हें भौतिक सांद्रण विधियों की आवश्यकता होती है, क्लोराइड स्रोतों का “सांद्रण” मुख्य रूप से इलेक्ट्रोलीज़ के लिए उपयुक्त एक शुद्ध, केंद्रित ब्राइन घोल प्राप्त करने से संबंधित है।

1. समुद्री जल/ब्राइन कुओं से:

   • सौर वाष्पीकरण: समुद्री जल या तनु ब्राइन को बड़े उथले तालाबों में वाष्पित होने दिया जाता है, जिससे कच्चे सोडियम क्लोराइड का क्रिस्टलीकरण होता है।
   • ब्राइन शुद्धिकरण: कच्चे नमक को फिर पानी में घोला जाता है या कुओं से सीधे ब्राइन को शुद्ध किया जाता है। यह चरण Ca²⁺, Mg²⁺, और Fe³⁺ आयनों जैसी अशुद्धियों को दूर करने के लिए महत्वपूर्ण है। ये आयन इलेक्ट्रोलाइटिक प्रक्रिया में हस्तक्षेप कर सकते हैं (उदाहरण के लिए, हाइड्रॉक्साइड के रूप में अवक्षेपित होकर, झिल्ली को दूषित करके, या अवांछित उप-उत्पाद बनाकर)।
   • रासायनिक उपचार: अशुद्धियों को आमतौर पर कैल्शियम कार्बोनेट (CaCO₃) को अवक्षेपित करने के लिए सोडियम कार्बोनेट (Na₂CO₃) और मैग्नीशियम हाइड्रॉक्साइड (Mg(OH)₂) को अवक्षेपित करने के लिए सोडियम हाइड्रॉक्साइड (NaOH) मिलाकर हटाया जाता है। इन अवक्षेपों को हटाने के लिए निस्पंदन (फिल्ट्रेशन) किया जाता है।

2. सेंधा नमक से:

   • सेंधा नमक के भंडारों का खनन किया जाता है और फिर उन्हें पानी में घोलकर एक संतृप्त ब्राइन घोल बनाया जाता है, जिसे ऊपर वर्णित अनुसार शुद्ध किया जाता है।

मौलिक क्लोरीन में अपचयन (औद्योगिक निष्कर्षण)

मौलिक क्लोरीन का औद्योगिक उत्पादन लगभग विशेष रूप से जलीय सोडियम क्लोराइड घोल (ब्राइन) या पिघले हुए सोडियम क्लोराइड के इलेक्ट्रोलीज़ द्वारा किया जाता है। इस प्रक्रिया को आमतौर पर क्लोर-अल्कली प्रक्रिया के रूप में जाना जाता है, क्योंकि यह क्लोरीन और एक क्षार (सोडियम हाइड्रॉक्साइड) का सह-उत्पादन करती है।

उपयोग किए जाने वाले तीन मुख्य प्रकार के इलेक्ट्रोलाइटिक सेल हैं:

1. डायफ्राम सेल (जैसे, नेल्सन सेल, हूकर सेल)

• सिद्धांत: छिद्रपूर्ण डायफ्राम (ऐतिहासिक रूप से एस्बेस्टस, अब अक्सर बहुलक-आधारित) का उपयोग करके जलीय NaCl घोल का इलेक्ट्रोलीज़, जो एनोड और कैथोड कक्षों को अलग करता है, उत्पादों के मिश्रण को रोकता है।
• व्यवस्था: एनोड कक्ष में ग्रेफाइट या आयाम स्थिर एनोड (DSA, जैसे, RuO₂/TiO₂ लेपित टाइटेनियम) ब्राइन में डूबे होते हैं। कैथोड एक छिद्रित स्टील प्लेट है। डायफ्राम दोनों कक्षों को अलग करता है।
• अभिक्रियाएँ:
  • एनोड पर (ऑक्सीकरण): क्लोराइड आयन ऑक्सीकृत होते हैं। 2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻
  • कैथोड पर (अपचयन): Na⁺ आयनों की तुलना में पानी का अपचयन होता है (जलीय घोल में Na निक्षेपण के लिए उच्च ओवरपोटेंशियल के कारण)। 2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq)
  • समग्र अभिक्रिया: 2NaCl(aq) + 2H₂O(l) → Cl₂(g) + H₂(g) + 2NaOH(aq)
• उत्पाद: क्लोरीन गैस (एनोड पर), हाइड्रोजन गैस (कैथोड पर), और सोडियम हाइड्रॉक्साइड का एक तनु घोल (जिसमें अपरिवर्तित NaCl होता है)। NaOH घोल को नमक हटाने के लिए आगे सांद्रण और शुद्धिकरण की आवश्यकता होती है।
• लाभ: मरकरी सेल की तुलना में कम ऊर्जा-गहन; मरकरी प्रदूषण से बचा जाता है।
• हानियाँ: कम शुद्ध और तनु NaOH घोल का उत्पादन करता है, जिसके लिए आगे प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है।

2. मरकरी सेल (कास्टनर-केलनेर सेल)

• सिद्धांत: बहती हुई मरकरी कैथोड का उपयोग करके जलीय NaCl घोल का इलेक्ट्रोलीज़, जो सोडियम के साथ एक अमलगम बनाता है। यह मुख्य इलेक्ट्रोलाइटिक सेल से NaOH के उत्पादन को अलग करता है, जिससे उच्च शुद्धता वाले उत्पाद प्राप्त होते हैं।
• व्यवस्था: एनोड (ग्रेफाइट या DSA) मरकरी की एक बहती हुई परत के ऊपर ब्राइन में निलंबित होते हैं जो कैथोड के रूप में कार्य करती है। सेल को थोड़ा झुकाया जाता है।
• अभिक्रियाएँ:
  • एनोड पर (ऑक्सीकरण): 2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻
  • मरकरी कैथोड पर (अपचयन): सोडियम आयन अपचयित होते हैं और सोडियम अमलगम बनाने के लिए मरकरी में घुल जाते हैं। Na⁺(aq) + e⁻ + Hg(l) → Na-Hg(l) (सोडियम अमलगम)
  • अपघटक (द्वितीयक सेल): सोडियम अमलगम एक अलग अपघटक में प्रवाहित होता है, जहाँ यह ग्रेफाइट उत्प्रेरक पर पानी के साथ अभिक्रिया करके उच्च-शुद्धता NaOH और H₂ उत्पन्न करता है। मरकरी को पुनर्जीवित और पुनर्चक्रित किया जाता है। 2Na-Hg(l) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + H₂(g) + 2Hg(l)
• उत्पाद: उच्च-शुद्धता क्लोरीन गैस, उच्च-शुद्धता और केंद्रित सोडियम हाइड्रॉक्साइड घोल, और हाइड्रोजन गैस।
• लाभ: बहुत शुद्ध और केंद्रित NaOH का उत्पादन करता है।
• हानियाँ: उच्च ऊर्जा खपत; मरकरी रिसाव के कारण महत्वपूर्ण पर्यावरणीय चिंताएँ, जिसके कारण इसे कई क्षेत्रों में चरणबद्ध तरीके से बंद किया जा रहा है।

3. झिल्ली सेल (आयन-विनिमय झिल्ली सेल)

• सिद्धांत: एक धनायन-विनिमय झिल्ली (जैसे, Nafion) का उपयोग करता है ताकि Na⁺ आयनों को एनोड कक्ष से कैथोड कक्ष में चुनिंदा रूप से गुजरने दिया जा सके, जबकि Cl⁻ और OH⁻ आयनों के प्रवासन को रोका जा सके। यह अलग, उच्च-शुद्धता वाले उत्पादों को सुनिश्चित करता है।
• व्यवस्था: सेल को एक धनायन-विनिमय झिल्ली द्वारा दो कक्षों में विभाजित किया जाता है। ब्राइन को एनोड कक्ष (DSA एनोड) में डाला जाता है। शुद्ध पानी को कैथोड कक्ष (निकेल कैथोड) में डाला जाता है।
• अभिक्रियाएँ:
  • एनोड पर (ऑक्सीकरण): 2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻
  • कैथोड पर (अपचयन): पानी अपचयित होता है। 2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq)
  • झिल्ली कार्य: Na⁺ आयन झिल्ली के माध्यम से एनोड कक्ष से कैथोड कक्ष में पलायन करते हैं, जहाँ वे OH⁻ आयनों के साथ मिलकर NaOH बनाते हैं।
  • समग्र अभिक्रिया: 2NaCl(aq) + 2H₂O(l) → Cl₂(g) + H₂(g) + 2NaOH(aq)
• उत्पाद: उच्च-शुद्धता क्लोरीन गैस, उच्च-शुद्धता और केंद्रित सोडियम हाइड्रॉक्साइड घोल, और हाइड्रोजन गैस।
• लाभ: सबसे पर्यावरण के अनुकूल और ऊर्जा-कुशल विधि। बहुत शुद्ध और केंद्रित NaOH का उत्पादन करता है। आधुनिक औद्योगिक संयंत्रों में व्यापक रूप से अपनाया गया है।

डीकन प्रक्रिया (ऐतिहासिक/लघु)

• इस प्रक्रिया में क्लोरीन का उत्पादन करने के लिए हाइड्रोजन क्लोराइड (HCl) गैस का हवा (ऑक्सीजन) के साथ उत्प्रेरक ऑक्सीकरण शामिल है। 4HCl(g) + O₂(g) ⇌ 2Cl₂(g) + 2H₂O(g)
• उत्प्रेरक: CuCl₂ 400-450 °C पर।
• यह क्लोरीन को उसके प्राकृतिक स्रोतों से निकालने की प्राथमिक विधि नहीं है, बल्कि उप-उत्पाद HCl से क्लोरीन को पुनः प्राप्त करने का एक तरीका है।

क्लोरीन का शोधन और शुद्धिकरण

इलेक्ट्रोलाइटिक सेल से सीधे प्राप्त क्लोरीन गैस में अक्सर अशुद्धियाँ होती हैं, मुख्य रूप से नमी और कभी-कभी हाइड्रोजन गैस (विशेष रूप से डायफ्राम सेल से)। इसे औद्योगिक उपयोग और सुरक्षित भंडारण के लिए शुद्ध और सुखाया जाना चाहिए।

1. शीतलन: क्लोरीन गैस को पहले ठंडा किया जाता है ताकि मौजूद अधिकांश जल वाष्प संघनित हो जाए।
2. शुष्कन: ठंडी क्लोरीन गैस को तब सिरेमिक रिंगों से भरे टावरों से गुजारा जाता है, जहाँ यह केंद्रित सल्फ्यूरिक एसिड (H₂SO₄) के विपरीत-प्रवाह में बहती है। केंद्रित सल्फ्यूरिक एसिड एक मजबूत निर्जलीकरण कारक है और क्लोरीन गैस से अवशिष्ट नमी को प्रभावी ढंग से हटाता है।
3. हाइड्रोजन का पृथक्करण (यदि मौजूद हो): सूखने के बाद, क्लोरीन गैस को और शुद्ध किया जा सकता है। यदि हाइड्रोजन मौजूद है, तो इसे आमतौर पर द्रवीकरण (लिक्विफैक्शन) के माध्यम से अलग किया जाता है।
4. द्रवीकरण: सूखी क्लोरीन गैस को संपीड़ित किया जाता है और इसे द्रवीकृत करने के लिए लगभग -40 °C (या दबाव के आधार पर कम) तक और ठंडा किया जाता है। हाइड्रोजन (और अन्य गैर-संघनीय गैसें) गैसीय रहती हैं और अलग हो जाती हैं।
5. भंडारण: द्रवीकृत क्लोरीन को परिवहन और औद्योगिक उपयोग के लिए दबाव में स्टील सिलेंडरों, कंटेनरों या रेलवे टैंक कारों में संग्रहीत किया जाता है।