ऑक्सीजन (O) का औद्योगिक उत्पादन

ऑक्सीजन (O) एक अधातु तत्व है और मानक तापमान और दबाव पर एक गैसीय घटक है। इसके औद्योगिक उत्पादन में धातुओं को अयस्कों से निकालने जैसी धातुकर्म प्रक्रियाएँ शामिल नहीं हैं। इसके बजाय, इसे आसानी से उपलब्ध स्रोतों जैसे हवा और पानी से उत्पादित किया जाता है।

प्राकृतिक उपलब्धता

ऑक्सीजन पृथ्वी की पपड़ी में द्रव्यमान के अनुसार सबसे प्रचुर तत्व है, जो यौगिक बनाता है, और आयतन के अनुसार वायुमंडल में दूसरी सबसे प्रचुर गैस है।

• वायुमंडल: आयतन के अनुसार लगभग 21% द्विपरमाणुक ऑक्सीजन (O₂) के रूप में।
• जलमंडल: पानी (H₂O) का एक प्रमुख घटक।
• स्थलमंडल: कई ऑक्साइड खनिजों (जैसे सिलिकेट, कार्बोनेट, आयरन ऑक्साइड) में मौजूद। हालांकि, इन्हें धातुकर्म अर्थ में ऑक्सीजन निष्कर्षण के लिए “अयस्क” नहीं माना जाता है।

औद्योगिक उत्पादन विधियाँ

ऑक्सीजन प्राप्त करने की प्राथमिक औद्योगिक विधियाँ हैं:

1. तरल हवा का प्रभाजी आसवन (क्रायोजेनिक एयर सेपरेशन)

यह उच्च-शुद्धता वाली ऑक्सीजन, नाइट्रोजन और आर्गन के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए सबसे सामान्य और किफायती तरीका है।

प्रक्रिया के चरण:

1. वायु पूर्व-उपचार:

   • वायुमंडलीय हवा को खींचा जाता है और धूल के कणों को हटाने के लिए फ़िल्टर किया जाता है।
   • फिर इसे उच्च दबाव (आमतौर पर 5-10 MPa) तक संपीड़ित किया जाता है।
   • संपीड़ित हवा को आणविक छलनी या सक्रिय एल्यूमिना वाले अधिशोषक (adsorbers) से गुजारा जाता है ताकि कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂) और जल वाष्प (H₂O) को हटाया जा सके। ये अशुद्धियाँ क्रायोजेनिक तापमान पर जम जाएँगी, जिससे उपकरण अवरुद्ध हो जाएँगे।

2. वायु द्रवीकरण:

   • शुद्ध, संपीड़ित हवा को फिर हीट एक्सचेंजर से गुजारकर महत्वपूर्ण रूप से ठंडा किया जाता है, अक्सर आसवन प्रक्रिया से प्राप्त ठंडे उत्पादों (नाइट्रोजन और ऑक्सीजन) का उपयोग करके।
   • आगे ठंडा करने और विस्तार (उदाहरण के लिए, जूल-थॉमसन एक्सपैंडर या विस्तार टरबाइन के माध्यम से) से हवा का द्रवीकरण होता है। तरल हवा मुख्य रूप से तरल नाइट्रोजन (क्वथनांक -196 °C) और तरल ऑक्सीजन (क्वथनांक -183 °C) का मिश्रण है।

3. प्रभाजी आसवन:

   • तरल हवा को एक प्रभाजी आसवन स्तंभ में डाला जाता है, जो आमतौर पर एक डबल स्तंभ प्रणाली (उच्च दबाव और निम्न दबाव स्तंभ) होती है।
   • उच्च-दबाव स्तंभ: तरल हवा इस स्तंभ में प्रवेश करती है। नाइट्रोजन, जिसका क्वथनांक कम (-196 °C) होता है, अधिक आसानी से वाष्पीकृत हो जाती है और ऊपर उठती है, जबकि ऑक्सीजन, जिसका क्वथनांक उच्च (-183 °C) होता है, तरल अवस्था में बनी रहती है और नीचे जमा होती है। बीच में एक आर्गन-समृद्ध अंश निकाला जा सकता है।
   • निम्न-दबाव स्तंभ: उच्च-दबाव स्तंभ से आंशिक रूप से अलग की गई धाराओं को निम्न-दबाव स्तंभ में आगे अलग किया जाता है। तरल ऑक्सीजन (आमतौर पर 99.5% शुद्ध) नीचे जमा होती है, जबकि गैसीय नाइट्रोजन (99.99% शुद्ध) ऊपर से निकलती है। गैसीय ऑक्सीजन को यदि आवश्यक हो तो आगे शुद्धिकरण के बाद निम्न-दबाव स्तंभ के ऊपर से भी निकाला जा सकता है।

शुद्धता और अनुप्रयोग:

• इस विधि से उत्पादित ऑक्सीजन 99.5% से अधिक शुद्धता स्तर प्राप्त कर सकती है।
• इसका उपयोग इस्पात निर्माण, रासायनिक संश्लेषण, चिकित्सा अनुप्रयोगों, वेल्डिंग और रॉकेटरी में किया जाता है।

2. जल का इलेक्ट्रोलाइसिस

यह विधि छोटे पैमाने पर उत्पादन के लिए या जहाँ उच्च शुद्धता की आवश्यकता होती है, और बिजली प्रचुर और सस्ती होती है, के लिए उपयुक्त है।

सिद्धांत:

पानी (H₂O) को उसमें एक विद्युत प्रवाह प्रवाहित करके हाइड्रोजन गैस (H₂) और ऑक्सीजन गैस (O₂) में विघटित किया जाता है।

$2H_2O(l) \xrightarrow\{\text\{Electrical energy\}\} 2H_2(g) + O_2(g)$

प्रक्रिया सेटअप:

• एक इलेक्ट्रोलाइटिक सेल में आमतौर पर दो अक्रिय इलेक्ट्रोड (जैसे प्लेटिनम, निकल, या स्टेनलेस स्टील) होते हैं जो एक जलीय इलेक्ट्रोलाइट में डूबे होते हैं।
• इलेक्ट्रोलाइट अक्सर एक एसिड (जैसे सल्फ्यूरिक एसिड) या एक क्षार (जैसे पोटेशियम हाइड्रॉक्साइड) का घोल होता है ताकि पानी की विद्युत चालकता बढ़ाई जा सके।

इलेक्ट्रोड अभिक्रियाएँ:

• एनोड (धनात्मक इलेक्ट्रोड) पर: ऑक्सीकरण होता है, और ऑक्सीजन गैस का उत्पादन होता है। $2H_2O(l) \longrightarrow O_2(g) + 4H^+(aq) + 4e^-$ (अम्लीय माध्यम में) या $4OH^-(aq) \longrightarrow O_2(g) + 2H_2O(l) + 4e^-$ (क्षारीय माध्यम में)

• कैथोड (ऋणात्मक इलेक्ट्रोड) पर: अपचयन होता है, और हाइड्रोजन गैस का उत्पादन होता है। $4H^+(aq) + 4e^- \longrightarrow 2H_2(g)$ (अम्लीय माध्यम में) या $4H_2O(l) + 4e^- \longrightarrow 2H_2(g) + 4OH^-(aq)$ (क्षारीय माध्यम में)

शुद्धता और अनुप्रयोग:

• इलेक्ट्रोलाइसिस द्वारा उत्पादित ऑक्सीजन आमतौर पर बहुत शुद्ध (99.999% तक) होती है, जिससे यह विशेष अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त होती है जहाँ उच्च शुद्धता महत्वपूर्ण होती है।
• इसका उपयोग चिकित्सा और फार्मास्युटिकल उद्योगों, प्रयोगशालाओं में, और ईंधन कोशिकाओं में एक घटक के रूप में किया जाता है।

भंडारण और परिवहन

औद्योगिक ऑक्सीजन को विभिन्न रूपों में संग्रहीत और ले जाया जाता है:

• संपीड़ित गैस: उच्च दबाव वाले स्टील सिलेंडरों में (गैसीय ऑक्सीजन, O₂ के लिए) 200 बार तक के दबाव पर।
• तरल ऑक्सीजन (LOX): बड़े पैमाने पर भंडारण और परिवहन के लिए इंसुलेटेड क्रायोजेनिक टैंकों (ड्यूअर्स) में, क्योंकि तरल ऑक्सीजन गैसीय ऑक्सीजन की तुलना में काफी कम आयतन घेरती है।
• ऑन-साइट उत्पादन: बहुत बड़े उपभोक्ताओं के लिए, ऑक्सीजन उत्पादन संयंत्र (क्रायोजेनिक या PSA/VPSA) अक्सर सीधे उपयोगकर्ता की सुविधा पर बनाए जाते हैं।