फॉस्फोरस (P) का धातुकर्म और औद्योगिक निष्कर्षण

1. प्राकृतिक उपलब्धता और प्रमुख अयस्क

फॉस्फोरस अत्यधिक अभिक्रियाशील होता है और प्रकृति में अपने मौलिक रूप में नहीं पाया जाता है। यह पृथ्वी की पपड़ी में संयुक्त अवस्थाओं में, मुख्य रूप से फॉस्फेट खनिजों के रूप में व्यापक रूप से वितरित होता है।

1.1 प्रमुख अयस्क

• फॉस्फोराइट (चट्टानी फॉस्फेट): यह सबसे महत्वपूर्ण अयस्क है, जो मुख्य रूप से ट्राइकैल्शियम फॉस्फेट से बना होता है।
  • रासायनिक सूत्र: Ca₃(PO₄)₂
• एपेटाइट परिवार: फॉस्फेट खनिजों का एक समूह जिसका सामान्य सूत्र Ca₅(PO₄)₃X है, जहाँ X, F, Cl या OH हो सकता है।
  • फ्लुओरएपेटाइट: Ca₅(PO₄)₃F (सबसे आम)
  • क्लोरएपेटाइट: Ca₅(PO₄)₃Cl
  • हाइड्रॉक्सिएपेटाइट: Ca₅(PO₄)₃OH (हड्डियों और दाँतों का एक प्रमुख घटक)

2. अयस्क का सांद्रण

खनन की गई फॉस्फेट चट्टान में अक्सर अवांछित अशुद्धियाँ (गैंग) जैसे कि सिलिका, मिट्टी और कार्बोनेट होते हैं। इन अशुद्धियों को फॉस्फेट की मात्रा बढ़ाने के लिए हटाया जाता है, जिससे अयस्क निष्कर्षण के लिए उपयुक्त बन जाता है।

2.1 सांद्रण की विधियाँ

• धुलाई और पीसना: प्रारंभिक चरणों में अयस्क के ढेलों को तोड़ना और ढीली मिट्टी की अशुद्धियों को धोना शामिल है। यह बाद की प्रक्रियाओं के लिए कण के आकार को भी कम करता है।
• झाग प्लवन विधि: यह निम्न-श्रेणी के फॉस्फेट अयस्कों को उन्नत करने की एक सामान्य विधि है।
  • बारीक पिसे हुए अयस्क को पानी के साथ मिलाकर एक घोल (स्लरी) बनाया जाता है।
  • संग्राहक (जैसे ओलिक एसिड या ईंधन तेल जैसे वसा अम्ल) को फॉस्फेट कणों को चयनात्मक रूप से जल-विरोधी बनाने के लिए मिलाया जाता है।
  • झागकारक (जैसे चीड़ का तेल, क्रेज़ोल) को झाग को स्थिर करने के लिए मिलाया जाता है।
  • घोल के माध्यम से हवा प्रवाहित की जाती है; फॉस्फेट कण हवा के बुलबुलों से चिपक जाते हैं और झाग के रूप में सतह पर तैरने लगते हैं, जिसे बाद में हटा दिया जाता है। गैंग (जैसे सिलिकेट) डूब जाता है।
• गुरुत्वीय पृथक्करण: फॉस्फेट अयस्कों के लिए यह कम उपयोग की जाती है क्योंकि कणों का आकार बारीक होता है और कुछ गैंग का घनत्व अक्सर समान होता है, लेकिन इसका उपयोग विशिष्ट अयस्क प्रकारों के लिए किया जा सकता है जहाँ घनत्व अंतर पर्याप्त होता है।

3. कच्चे फॉस्फोरस में अपचयन (औद्योगिक निष्कर्षण)

मौलिक फॉस्फोरस (विशेष रूप से, सफेद फॉस्फोरस, P₄) को विद्युत भट्टी प्रक्रिया का उपयोग करके सांद्रित फॉस्फेट चट्टान से व्यावसायिक रूप से निकाला जाता है। इस विधि में सिलिका की उपस्थिति में कोक द्वारा कैल्शियम फॉस्फेट का अपचयन शामिल है।

3.1 विद्युत भट्टी प्रक्रिया

• सिद्धांत: इस प्रक्रिया में सांद्रित फॉस्फेट चट्टान, सिलिका (रेत) और कोक (कार्बन) के मिश्रण को एक विद्युत भट्टी में बहुत उच्च तापमान पर गर्म करना शामिल है।
• अभिकारक:
  • सांद्रित फॉस्फोराइट: Ca₃(PO₄)₂
  • सिलिका: SiO₂ (अम्लीय गालक के रूप में कार्य करता है)
  • कोक: C (अपचायक के रूप में कार्य करता है)
• प्रक्रिया के चरण:
  1. इन कच्चे मालों का सावधानीपूर्वक आनुपातिक मिश्रण ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड से सुसज्जित एक बड़ी, बंद विद्युत भट्टी में लगातार डाला जाता है।
  2. इलेक्ट्रोड के बीच विद्युत आर्क तीव्र गर्मी उत्पन्न करते हैं, जिससे तापमान 1400-1500 °C तक पहुँच जाता है।
  3. इन उच्च तापमानों पर, सिलिका कैल्शियम फॉस्फेट के साथ अभिक्रिया करके कैल्शियम सिलिकेट स्लैग और फॉस्फोरस पेंटोक्साइड बनाती है (जिसे बाद में कोक द्वारा अपचयित किया जाता है)। समग्र अभिक्रिया है:

     2Ca₃(PO₄)₂(s) + 6SiO₂(s) + 10C(s) \rightarrow 6CaSiO₃(l) + P₄(g) + 10CO(g)
     

     • SiO₂ की भूमिका: यह कैल्शियम फॉस्फेट के क्षारीय कैल्शियम ऑक्साइड वाले हिस्से के साथ मिलकर आसानी से गलने योग्य कैल्शियम सिलिकेट स्लैग (CaSiO₃) बनाता है, जो फॉस्फोरस ऑक्साइड की तुलना में कम वाष्पशील होता है, जिससे फॉस्फोरस के निष्कासन में सुविधा होती है।
     • C की भूमिका: कोक एक प्रबल अपचायक के रूप में कार्य करता है, जो बने हुए फॉस्फोरस ऑक्साइड (या सीधे फॉस्फेट) को मौलिक फॉस्फोरस में अपचयित करता है।
• उत्पाद:
  • फॉस्फोरस वाष्प (P₄): यह वांछित उत्पाद है, जो भट्टी के तापमान पर गैस के रूप में मौजूद होता है।
  • कार्बन मोनोऑक्साइड (CO) गैस: एक सह-उत्पाद, जिसे अक्सर एकत्र किया जाता है और ईंधन के रूप में उपयोग किया जाता है।
  • पिघला हुआ कैल्शियम सिलिकेट (CaSiO₃) स्लैग: एक सह-उत्पाद, जो अभिक्रिया गैसों के साथ सघन और अमिश्रणीय होता है, और इसे भट्टी के नीचे से निकाला जाता है।
• फॉस्फोरस का संग्रहण:
  • P₄ वाष्प और CO गैस के गर्म मिश्रण को भट्टी के ऊपर से निकाला जाता है।
  • इस गैसीय मिश्रण को तब पानी से ठंडे किए गए संघनित्रों या स्प्रे टावरों से गुजारकर तेजी से ठंडा किया जाता है।
  • फॉस्फोरस वाष्प तरल श्वेत फॉस्फोरस (P₄) में संघनित हो जाती है, जिसे हवा में इसके स्वतः दहन को रोकने के लिए पानी के नीचे एकत्र किया जाता है।

4. शोधन और शुद्धिकरण

विद्युत भट्टी प्रक्रिया से प्राप्त श्वेत फॉस्फोरस आमतौर पर कई औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त शुद्ध होता है। हालाँकि, यदि उच्च शुद्धता की आवश्यकता हो तो आगे के शोधन चरण किए जा सकते हैं।

4.1 शोधन की विधियाँ

• आसवन: श्वेत फॉस्फोरस को शुद्ध करने की सबसे आम विधि। श्वेत फॉस्फोरस का क्वथनांक अपेक्षाकृत कम (280.5 °C) होता है। कच्चे श्वेत फॉस्फोरस को गर्म करके, इसे वाष्पीकृत किया जा सकता है और फिर से संघनित किया जा सकता है, जिससे इसे गैर-वाष्पशील अशुद्धियों से अलग किया जा सके।
• रासायनिक उपचार: आर्सेनिक (जो अक्सर आर्सेनियस ऑक्साइड, As₂O₃ के रूप में मौजूद होता है) जैसी सूक्ष्म अशुद्धियों को कभी-कभी रासायनिक विधियों से हटाया जा सकता है, हालाँकि आसवन आमतौर पर अधिक प्रभावी होता है। उदाहरण के लिए, कुछ ऑक्सीकारक आर्सेनिक यौगिकों को कम वाष्पशील रूपों में परिवर्तित कर सकते हैं। हालाँकि, व्यावसायिक श्वेत फॉस्फोरस के लिए, कच्चे माल की शुद्धता का सावधानीपूर्वक नियंत्रण और कुशल आसवन आमतौर पर पर्याप्त होते हैं।