जस्ता (Zn) का धातु विज्ञान और औद्योगिक निष्कर्षण

प्राकृतिक उपलब्धता और प्रमुख अयस्क

जस्ता एक मध्यम रूप से प्रतिक्रियाशील धातु है और इसलिए, यह प्रकृति में अपनी मूल (मुक्त) अवस्था में नहीं पाया जाता है। यह मुख्य रूप से विभिन्न अयस्कों के रूप में संयुक्त अवस्था में पाया जाता है।

जस्ता के प्रमुख अयस्क

1. जिंक ब्लेंड (स्फैलेराइट): ZnS (सल्फाइड अयस्क) – यह औद्योगिक जस्ता निष्कर्षण के लिए सबसे महत्वपूर्ण और प्रचुर अयस्क है। यह अक्सर गैलेना (PbS) और आयरन पाइराइट्स (FeS₂) के साथ मिला हुआ पाया जाता है।
2. कैलेमाइन (स्मिथसोनाइट): ZnCO₃ (कार्बोनेट अयस्क) – एक महत्वपूर्ण द्वितीयक अयस्क।
3. जिंकाइट: ZnO (ऑक्साइड अयस्क) – कम सामान्य है, लेकिन यह भी जस्ता का एक स्रोत है।

अयस्क का सांद्रण

धातु विज्ञान में प्रारंभिक चरण अयस्क का सांद्रण होता है, जिसमें अयस्क से गैंग (अवांछित चट्टानी पदार्थ) को हटाना शामिल है। चुनी गई विधि अयस्क और गैंग की प्रकृति पर निर्भर करती है।

जिंक ब्लेंड (ZnS) के लिए – फेन प्लवन विधि (Froth Flotation Process)

सल्फाइड अयस्क, जिंक ब्लेंड को फेन प्लवन विधि का उपयोग करके सांद्रित किया जाता है क्योंकि यह हाइड्रोफोबिक प्रकृति का होता है और इसे अन्य सल्फाइड या गैंग से चुनिंदा रूप से अलग करने की क्षमता होती है।

1. सिद्धांत: यह प्रक्रिया बारीक पिसे हुए सल्फाइड अयस्क कणों को गैंग से अलग करती है, अयस्क को तेल (जैसे, पाइन तेल, ज़ैंथेट्स) से और गैंग को पानी से वरीयतापूर्वक गीला करके। फिर हवा को मिश्रण के माध्यम से प्रवाहित किया जाता है ताकि झाग बन सके।
2. प्रक्रिया:
   • बारीक कुचले हुए अयस्क को पानी के साथ मिलाकर घोल (slurry) बनाया जाता है।
   • संग्राहक (Collectors): पाइन तेल, फैटी एसिड, या ज़ैंथेट्स जैसे पदार्थ मिलाए जाते हैं। वे चुनिंदा रूप से सल्फाइड अयस्क कणों से जुड़ते हैं, जिससे वे जल-विकर्षक (hydrophobic) बन जाते हैं।
   • फेनकारक (Frothers): क्रेओल्स या एनिलिन जैसे रसायन झाग को स्थिर करने के लिए मिलाए जाते हैं।
   • अवनमक (Depressants): जब ZnS, PbS से जुड़ा होता है, तो सोडियम सायनाइड (NaCN) या सोडियम हाइड्रॉक्साइड (NaOH) मिलाया जा सकता है। NaCN चुनिंदा रूप से ZnS को झाग के साथ आने से रोकता है, जिससे PbS पहले तैरने लगता है। बाद में, ZnS को तैराया जा सकता है।
   • मिश्रण में जोर से हवा प्रवाहित की जाती है, जिससे झाग बनता है जो अयस्क कणों को सतह पर ले जाता है, जबकि गैंग नीचे बैठ जाता है। फिर झाग को हटा दिया जाता है।

कच्चे धातु में अपचयन

सांद्रण के बाद, अयस्क को अपचयन के लिए उपयुक्त रूप में परिवर्तित किया जाता है, आमतौर पर एक ऑक्साइड में, और फिर कच्चे धातु में अपचयित किया जाता है।

1. अयस्क का जिंक ऑक्साइड (ZnO) में रूपांतरण

दोनों सल्फाइड और कार्बोनेट अयस्कों को पहले जिंक ऑक्साइड में परिवर्तित किया जाता है।

a. भर्जन (ZnS अयस्क)

• प्रक्रिया: जिंक ब्लेंड (ZnS) को एक द्रवित बेड भर्जन भट्टी (fluidized bed roaster) में अधिक हवा की उपस्थिति में उच्च तापमान (आमतौर पर 900-1000°C) पर तीव्रता से गर्म किया जाता है। यह सल्फाइड को ऑक्साइड और सल्फर डाइऑक्साइड गैस में परिवर्तित करता है।
• अभिक्रिया: 2ZnS(s) + 3O₂(g) → 2ZnO(s) + 2SO₂(g)
• टिप्पणी: उत्पादित SO₂ को आमतौर पर एकत्र किया जाता है और सल्फ्यूरिक अम्ल (H₂SO₄) के निर्माण के लिए उपयोग किया जाता है।

b. निस्तापन (ZnCO₃ अयस्क)

• प्रक्रिया: कैलेमाइन (ZnCO₃) अयस्क को हवा की अनुपस्थिति में 800-900°C पर घूर्णी भट्टियों (rotary kilns) में गर्म किया जाता है। यह कार्बोनेट को जिंक ऑक्साइड और कार्बन डाइऑक्साइड में विघटित करता है।
• अभिक्रिया: ZnCO₃(s) → ZnO(s) + CO₂(g)

2. जिंक ऑक्साइड (ZnO) का कच्चे जस्ता में अपचयन

जिंक ऑक्साइड को धात्विक जस्ता में अपचयित करने की दो मुख्य विधियाँ हैं:

a. प्रगलन (कार्बन अपचयन प्रक्रिया)

• सिद्धांत: जस्ता का क्वथनांक अपेक्षाकृत कम (907°C) होता है, जो आवश्यक अपचयन तापमान (1100-1400°C) से कम है। इसलिए, जस्ता वाष्प के रूप में प्राप्त होता है और इसे तेजी से संघनित किया जाना चाहिए।
• प्रक्रिया:
  • सांद्रित ZnO (भर्जन या निस्तापन से प्राप्त) को चूर्णित कोक (कार्बन) के साथ मिलाकर ऊर्ध्वाधर रिटॉर्ट्स (vertical retorts) या इलेक्ट्रोथर्मिक भट्टियों (electrothermic furnaces) में गर्म किया जाता है।
  • अभिक्रिया: ZnO(s) + C(s) → Zn(g) + CO(g) (1100-1400°C पर)
  • उत्पादित जस्ता वाष्प को तरल जस्ता (जिसे