धातु कर्म और सल्फर (S) का औद्योगिक निष्कर्षण

प्राकृतिक उपलब्धता और प्रमुख अयस्क

सल्फर प्रकृति में मुक्त (तत्वीय) और संयुक्त दोनों अवस्थाओं में व्यापक रूप से पाया जाता है।

मुक्त (तत्वीय) अवस्था

• भंडार मुख्य रूप से ज्वालामुखीय क्षेत्रों, नमक के गुंबदों (जैसे संयुक्त राज्य अमेरिका, मेक्सिको के खाड़ी तट के साथ) और अवसादी चट्टानों में पाए जाते हैं। इन भंडारों में क्रिस्टलीय सल्फर होता है।

संयुक्त अवस्था

सल्फर कई यौगिकों का एक घटक है, जिनमें शामिल हैं:

• सल्फाइड अयस्क:
  • गैलेना (लेड सल्फाइड, PbS)
  • जिंक ब्लेंड (जिंक सल्फाइड, ZnS)
  • आयरन पाइराइट्स (आयरन(II) डाइसल्फाइड, FeS₂)
  • कॉपर पाइराइट्स (कॉपर आयरन सल्फाइड, CuFeS₂)
  • सिनाबार (मर्करी सल्फाइड, HgS)
  • अर्जेंटाइट (सिल्वर सल्फाइड, Ag₂S)
• सल्फेट अयस्क:
  • जिप्सम (कैल्शियम सल्फेट डाइहाइड्रेट, CaSO₄·2H₂O)
  • एप्सम सॉल्ट (मैग्नीशियम सल्फेट हेप्टाहाइड्रेट, MgSO₄·7H₂O)
  • बैराइट्स (बेरियम सल्फेट, BaSO₄)
• कार्बनिक यौगिक:
  • कोयले, पेट्रोलियम और प्राकृतिक गैस में मौजूद, अक्सर हाइड्रोजन सल्फाइड (H₂S) या कार्बनिक सल्फर यौगिकों के रूप में।

अयस्क का सांद्रण

तत्वीय सल्फर भंडारों के लिए, पारंपरिक अयस्क सांद्रण तकनीकें जैसे झाग प्लवन या गुरुत्वाकर्षण पृथक्करण आमतौर पर नियोजित नहीं की जाती हैं। प्राथमिक औद्योगिक निष्कर्षण विधि, फ्राश प्रक्रिया, तत्वीय सल्फर को सीधे पिघली हुई अवस्था में निकालती है, जिससे यह आसपास के गैंग से प्रभावी ढंग से अलग हो जाता है।

संयुक्त अवस्थाओं से प्राप्त सल्फर के लिए:

• हाइड्रोजन सल्फाइड (H₂S) से: H₂S, जो अक्सर प्राकृतिक गैस या पेट्रोलियम में पाया जाता है, अन्य गैसों से एमीन (जैसे, मोनोएथेनॉलएमीन) का उपयोग करके चुनिंदा रूप से अवशोषित किया जाता है। फिर H₂S को गर्म करके विसर्जित किया जाता है और आगे की प्रक्रिया (क्लास प्रक्रिया) के लिए भेजा जाता है। यह रासायनिक सांद्रण का एक रूप है।
• सल्फाइड अयस्कों से: जब जिंक या लेड जैसी धातुओं को उनके सल्फाइड अयस्कों (जैसे, ZnS, PbS) से निकाला जाता है, तो अयस्कों को आमतौर पर धातु ऑक्साइड और सल्फर डाइऑक्साइड (SO₂) उत्पन्न करने के लिए भर्जित किया जाता है। इस SO₂ को तब सल्फ्यूरिक एसिड में परिवर्तित किया जा सकता है या, कुछ मामलों में, तत्वीय सल्फर में अपचयित किया जा सकता है। यहाँ, सल्फर एक मूल्यवान उप-उत्पाद है, और इसका “सांद्रण” फ्लू गैसों से SO₂ को अलग करने में शामिल है।

अपरिष्कृत धातु का अपचयन (तत्वीय सल्फर का निष्कर्षण)

तत्वीय सल्फर प्राप्त करने की दो मुख्य औद्योगिक विधियाँ फ्राश प्रक्रिया (तत्वीय सल्फर भंडारों के लिए) और क्लास प्रक्रिया (H₂S से सल्फर पुनर्प्राप्ति के लिए) हैं।

1. फ्राश प्रक्रिया

इस प्रक्रिया का उपयोग भूमिगत भंडारों से तत्वीय सल्फर निकालने के लिए किया जाता है जहाँ यह आमतौर पर अभेद्य परतों से ढकी छिद्रपूर्ण चट्टान संरचनाओं में पाया जाता है।

सिद्धांत: सल्फर का गलनांक अपेक्षाकृत कम होता है (लगभग 115°C)। अति-तप्त जल को भंडार में इंजेक्ट किया जाता है ताकि सल्फर पिघल जाए, जिसे बाद में संपीड़ित वायु का उपयोग करके सतह पर लाया जाता है।

प्रक्रिया के चरण (आरेख विवरण): फ्राश प्रक्रिया में सल्फर भंडार में ड्रिल किए गए तीन संकेंद्रित पाइपों की एक प्रणाली का उपयोग किया जाता है:

1. सबसे बाहरी पाइप: इस पाइप से अति-तप्त जल (लगभग 170°C और 10 atm दाब पर) पंप किया जाता है। गर्म पानी आसपास के सल्फर को पिघला देता है।
2. सबसे भीतरी पाइप: इस पाइप से संपीड़ित वायु (लगभग 15-20 atm दाब पर) प्रवाहित की जाती है।
3. मध्य पाइप: पिघला हुआ सल्फर, पानी से अधिक सघन होने के कारण, कुएं के तल में डूब जाता है। सबसे भीतरी पाइप में इंजेक्ट की गई संपीड़ित वायु एक एयर-लिफ्ट पंप बनाती है, जो पिघले हुए सल्फर, पानी और वायु के मिश्रण को मध्य पाइप से सतह पर ऊपर धकेलती है।

सतह पर, पिघले हुए सल्फर को बड़े कुंडों में एकत्र किया जाता है या खुले गड्ढों में ठंडा होने दिया जाता है, जहाँ यह बड़े ब्लॉकों में जम जाता है। इस विधि से प्राप्त सल्फर आमतौर पर 99.5% शुद्ध होता है।

2. क्लास प्रक्रिया

यह प्रक्रिया हाइड्रोजन सल्फाइड (H₂S) से तत्वीय सल्फर की पुनर्प्राप्ति के लिए महत्वपूर्ण है, जो प्राकृतिक गैस, रिफाइनरी गैसों और कोयले के गैसीकरण से प्राप्त एक सामान्य अशुद्धता है। यह एक महत्वपूर्ण पर्यावरणीय प्रक्रिया है क्योंकि H₂S विषैला और संक्षारक होता है।

समग्र अभिक्रिया: 2H₂S(g) + SO₂(g) → 3S(l) + 2H₂O(g)

प्रक्रिया के चरण:

1. तापीय ऑक्सीकरण (फर्नेस खंड): आने वाले H₂S प्रवाह का लगभग एक-तिहाई हिस्सा सल्फर डाइऑक्साइड (SO₂) उत्पन्न करने के लिए एक भट्टी में उच्च तापमान (950-1200°C) पर वायु के साथ पूरी तरह से दहन किया जाता है: 2H₂S(g) + 3O₂(g) → 2SO₂(g) + 2H₂O(g) साथ ही, अपरिवर्तित H₂S और नवगठित SO₂ आंशिक रूप से अभिक्रिया करके तत्वीय सल्फर बनाते हैं: 2H₂S(g) + SO₂(g) ⇌ 3S(l) + 2H₂O(g) उत्पन्न पिघले हुए सल्फर को संघनित करके हटा दिया जाता है।
2. उत्प्रेरकीय रूपांतरण (रिएक्टर खंड): शेष गैस प्रवाह, जिसमें H₂S और SO₂ होता है, को कम तापमान (200-350°C) पर उत्प्रेरकीय कन्वर्टर (आमतौर पर बॉक्साइट या सक्रियित एल्यूमिना उत्प्रेरकों से भरे) से गुजारा जाता है। सल्फर बनाने के लिए H₂S और SO₂ के बीच अभिक्रिया को और बढ़ावा दिया जाता है: 2H₂S(g) + SO₂(g) ⇌ 3S(g) + 2H₂O(g) सल्फर पुनर्प्राप्ति को अधिकतम करने के लिए इंटरस्टेज शीतलन और सल्फर संघनन के साथ कई उत्प्रेरकीय चरणों का उपयोग किया जाता है। सल्फर वाष्प एक पिघले हुए द्रव में संघनित हो जाती है।

क्लास प्रक्रिया आमतौर पर 95-99% सल्फर पुनर्प्राप्ति दक्षता प्राप्त करती है।

परिष्करण और शुद्धिकरण

फ्राश प्रक्रिया से प्राप्त सल्फर आमतौर पर बहुत शुद्ध (~99.5%) होता है और आगे व्यापक शुद्धिकरण के बिना अधिकांश औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त होता है। क्लास प्रक्रिया से प्राप्त सल्फर भी आमतौर पर उच्च शुद्धता का होता है। हालांकि, उच्च शुद्धता की आवश्यकता वाले विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए, या अशुद्धियों के निशान को हटाने के लिए, आगे परिष्करण चरणों को नियोजित किया जा सकता है।

1. आसवन:
   • अपरिष्कृत सल्फर को वाष्पित करने के लिए गर्म किया जाता है (क्वथनांक ~445°C)।
   • सल्फर वाष्प को तब अत्यधिक शुद्ध सल्फर प्राप्त करने के लिए ठंडा और संघनित किया जाता है। यह प्रक्रिया सल्फर को गैर-वाष्पशील अशुद्धियों से अलग करती है।
   • सल्फर वाष्प को तेजी से ठंडा करने से महीन चूर्णित सल्फर बनता है जिसे “सल्फर के फूल” (उर्ध्वपातित सल्फर) के रूप में जाना जाता है।
2. धुलाई:
   • पिघले हुए सल्फर को कार्बनिक अशुद्धियों को हटाने के लिए तनु सल्फ्यूरिक एसिड से धोया जा सकता है और फिर किसी भी एसिड के निशान को हटाने के लिए पानी से धोया जा सकता है।
3. निस्पंदन:
   • पिघले हुए सल्फर को निलंबित ठोस अशुद्धियों को हटाने के लिए उपयुक्त माध्यम से फ़िल्टर किया जा सकता है।