नाइट्रोजन (N) का औद्योगिक निष्कर्षण

प्राकृतिक उपलब्धता और प्रमुख स्रोत

नाइट्रोजन (N) एक अधातु तत्व है जो मुख्य रूप से गैसीय अवस्था में पाया जाता है। यह धातुओं की तरह पारंपरिक “अयस्कों” में मौजूद नहीं होता है।

वायुमंडलीय नाइट्रोजन (N₂)

• प्राथमिक स्रोत: पृथ्वी के वायुमंडल का लगभग 78% आयतन डाइनिट्रोजन (N₂) है। यह सबसे महत्वपूर्ण औद्योगिक स्रोत है।

अकार्बनिक नाइट्रोजन यौगिक

• नाइट्रेट: यह प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले नाइट्रेट लवणों के रूप में मौजूद होता है, जैसे:
  • चिली सॉल्टपीटर: सोडियम नाइट्रेट (NaNO₃)
  • इंडियन सॉल्टपीटर: पोटेशियम नाइट्रेट (KNO₃)
  • ये नाइट्रोजन यौगिकों के स्रोत हैं, लेकिन आमतौर पर तात्विक N₂ निष्कर्षण के लिए नहीं।

कार्बनिक नाइट्रोजन यौगिक

• सभी जीवित जीवों (प्रोटीन, न्यूक्लिक एसिड, अमीनो एसिड) में पाया जाता है। ये तात्विक N₂ के लिए औद्योगिक स्रोत नहीं हैं।

वायु से नाइट्रोजन का औद्योगिक निष्कर्षण

तात्विक नाइट्रोजन (N₂) का औद्योगिक निष्कर्षण वायुमंडलीय हवा से इसके पृथक्करण पर केंद्रित है। इस प्रक्रिया में हवा का द्रवीकरण और उसके बाद प्रभाजी आसवन शामिल है। सबसे आम तरीका लिंडे-फ्रैंकल प्रक्रिया या इसके विभिन्न रूप हैं।

1. वायु की तैयारी (पूर्व-उपचार)

कम तापमान पर अशुद्धियों के जमने से रुकावटों को रोकने के लिए द्रवीकरण से पहले वायुमंडलीय हवा को शुद्ध किया जाना चाहिए।

• धूल हटाना: हवा से कणिकीय पदार्थ को हटाने के लिए उसे फ़िल्टर किया जाता है।
• कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) हटाना: CO₂ को हवा को स्क्रबर से गुजार कर हटाया जाता है जिसमें निम्नलिखित होते हैं:
  • कास्टिक सोडा (NaOH) घोल: 2NaOH(aq) + CO₂(g) → Na₂CO₃(aq) + H₂O(l)
  • या, आणविक छलनी पर अधिशोषण द्वारा।
• जल वाष्प (H₂O) हटाना: नमी को निम्न विधियों द्वारा हटाया जाता है:
  • पानी को संघनित करने के लिए हवा को ठंडा करना।
  • सक्रिय एल्यूमिना (Al₂O₃) या सिलिका जेल (SiO₂) जैसे शुष्ककों से गुजारना।
  • आणविक छलनी का उपयोग करना।

2. वायु का द्रवीकरण

शुद्ध हवा को फिर ठंडा किया जाता है और द्रवीकरण प्राप्त करने के लिए बार-बार संपीड़ित किया जाता है, जो जूल-थॉमसन प्रभाव पर निर्भर करता है।

• संपीड़न: हवा को उच्च दबावों (जैसे, 100-200 atm) तक संपीड़ित किया जाता है।
• शीतलन: संपीड़ित हवा को रेफ्रिजरेंट द्वारा या हीट एक्सचेंजर में पहले से ठंडी की गई हवा का विस्तार करके ठंडा किया जाता है।
• विस्तार (जूल-थॉमसन प्रभाव): अत्यधिक संपीड़ित, ठंडी हवा को एक विस्तार वाल्व के माध्यम से तेजी से फैलने दिया जाता है। इस अचानक विस्तार से तापमान में उल्लेखनीय गिरावट आती है।
  • प्रक्रिया प्रवाह का विवरण:
    1. फ़िल्टर की गई और शुद्ध की गई हवा को एक कंप्रेसर द्वारा संपीड़ित किया जाता है।
    2. गर्म संपीड़ित हवा को आने वाली ठंडी गैस धाराओं द्वारा हीट एक्सचेंजर में ठंडा किया जाता है।
    3. पहले से ही ठंडी, फैलती हुई गैस के साथ ऊष्मा का आदान-प्रदान करने पर और अधिक शीतलन होता है।
    4. पूर्व-ठंडी, उच्च-दबाव वाली हवा एक विस्तार वाल्व से गुजरती है, जहाँ यह जूल-थॉमसन प्रभाव के कारण तेजी से फैलती है और काफी ठंडी हो जाती है।
    5. इस चरण में हवा का एक हिस्सा द्रवीकृत हो जाता है। जो गैस द्रवीकृत नहीं हुई है उसे आने वाली संपीड़ित हवा को ठंडा करने के लिए हीट एक्सचेंजर के माध्यम से वापस भेजा जाता है और फिर कंप्रेसर के माध्यम से पुनर्चक्रित किया जाता है।
    6. तरल हवा द्रवीकरण कॉलम के निचले भाग में जमा हो जाती है।

3. तरल वायु का प्रभाजी आसवन (घटकों का पृथक्करण)

तरल हवा, जो तरल नाइट्रोजन (क्वथनांक -196 °C), तरल ऑक्सीजन (क्वथनांक -183 °C), और तरल आर्गन (क्वथनांक -186 °C) का मिश्रण है, को फिर प्रभाजी आसवन किया जाता है।

• सिद्धांत: पृथक्करण घटकों के क्वथनांक में अंतर पर आधारित है। नाइट्रोजन, जिसका क्वथनांक सबसे कम होता है, पहले वाष्पीकृत होता है।
• आसवन कॉलम: एक लंबा प्रभाजी कॉलम उपयोग किया जाता है, जो आमतौर पर कम तापमान पर संचालित होता है।
  • प्रक्रिया प्रवाह का विवरण:
    1. तरल हवा को एक प्रभाजी कॉलम के मध्य के पास डाला जाता है।
    2. जैसे-जैसे तरल नीचे आता है, यह ऊपर उठती वाष्पों द्वारा गर्म होता है।
    3. नाइट्रोजन, अधिक वाष्पशील होने के कारण, प्राथमिकता से वाष्पीकृत होती है और कॉलम के शीर्ष पर उठ जाती है।
    4. ऑक्सीजन, जिसका क्वथनांक अधिक होता है, कॉलम के निचले भाग में एक तरल के रूप में केंद्रित होती है। आर्गन, जिसका क्वथनांक मध्यवर्ती होता है, नाइट्रोजन और ऑक्सीजन के बीच के खंड में केंद्रित होती है।
    5. शुद्ध गैसीय नाइट्रोजन (N₂) को कॉलम के शीर्ष से एकत्र किया जाता है।
    6. गैसीय ऑक्सीजन (O₂) को निचले भाग से एकत्र किया जाता है।
    7. यदि आवश्यक हो तो आर्गन को आगे शुद्धिकरण के लिए एक मध्यवर्ती खंड से एकत्र किया जा सकता है।

शोधन और शुद्धिकरण

प्रभाजी कॉलम के शीर्ष से प्राप्त नाइट्रोजन पहले से ही बहुत शुद्ध होती है (आमतौर पर >99.5%)। इससे भी अधिक शुद्धता की आवश्यकताओं के लिए, आगे के कदम उठाए जा सकते हैं:

• आगे प्रभाजी आसवन: नाइट्रोजन गैस या तरल का पुनरासवन ट्रेस ऑक्सीजन या आर्गन को हटाकर शुद्धता बढ़ा सकता है।
• उत्प्रेरक विऑक्सीकरण: अत्यधिक उच्च शुद्धता वाले नाइट्रोजन (जैसे, 99.999%) के लिए, ट्रेस ऑक्सीजन को थोड़ी मात्रा में हाइड्रोजन की उपस्थिति में एक उत्प्रेरक (जैसे, पैलेडियम) पर नाइट्रोजन को गुजार कर हटाया जा सकता है, जिससे पानी बनता है: 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g)। पानी को फिर अधिशोषण द्वारा हटा दिया जाता है।
• अधिशोषण: शेष ट्रेस अशुद्धियों को हटाने के लिए आणविक छलनी या सक्रिय कार्बन का उपयोग करना।

शुद्ध नाइट्रोजन को फिर संपीड़ित किया जाता है और सिलेंडरों में संग्रहीत किया जाता है या इन्सुलेटेड क्रायोजेनिक टैंकों में तरल नाइट्रोजन के रूप में ले जाया जाता है।