सर्वव्यापी घटक: सिलिकॉन
सिलिकॉन, ज्याला Si या चिन्हाने आणि 14 या अणुसंख्येने दर्शविले जाते, हा एक मेटॅलॉइड घटक आहे जो आधुनिक तंत्रज्ञान आणि दैनंदिन जीवनात मूलभूत भूमिका बजावतो. तो पृथ्वीच्या कवचातील दुसरा सर्वात मुबलक घटक आहे, ज्याचे प्रमाण त्याच्या वस्तुमानापैकी सुमारे 27.7% आहे. सिलिकॉन निसर्गात त्याच्या शुद्ध मूलद्रव्य स्वरूपात क्वचितच आढळते, परंतु ते प्रामुख्याने ऑक्सिजनसोबत सिलिकॉन डायऑक्साइड (SiO₂) किंवा जटिल सिलिकेट खनिजांच्या रूपात आढळते.
सिलिकॉनचे नैसर्गिक अस्तित्व
सिलिकॉन पृथ्वीच्या कवचात जवळजवळ केवळ संयुगांच्या स्वरूपात आढळते. त्याचे सर्वात सामान्य संयुग सिलिकॉन डायऑक्साइड आहे, जे सामान्यतः सिलिका म्हणून ओळखले जाते.
- क्वार्ट्झ: हा सिलिकाचा एक सामान्य स्फटिकासारखा प्रकार आहे आणि वाळूचा एक प्रमुख घटक आहे. क्वार्ट्झ वाळूचे मोठे साठे संपूर्ण भारतात, विशेषतः राजस्थान, गुजरात आणि गंगा-यमुना मैदानी प्रदेशांच्या काही भागांमध्ये आढळतात. ही वाळू बांधकाम आणि काच उत्पादनासाठी अत्यंत महत्त्वाची आहे.
- सिलिकेट खनिजे: सिलिकॉन अनेक सिलिकेट खनिजांचा आधारस्तंभ देखील बनवते, जे पृथ्वीच्या कवचाचा बहुतेक भाग बनवतात. उदाहरणांमध्ये फेल्डस्पार, अभ्रक (mica), तालक आणि चिकणमाती (clays) यांचा समावेश आहे. ही खनिजे भारतीय उपखंडात आढळणाऱ्या माती, खडक आणि विविध भूगर्भीय निर्मितीसाठी अविभाज्य आहेत.
निष्कर्षण आणि औद्योगिक वापर
मूलभूत सिलिकॉनच्या औद्योगिक उत्पादनामध्ये प्रामुख्याने उच्च-शुद्धता सिलिका (क्वार्ट्झ वाळू) कार्बनसह इलेक्ट्रिक आर्क फर्नेसमध्ये खूप उच्च तापमानावर (सुमारे 1700 °C) कमी करणे (reduction) समाविष्ट आहे.
मेटॅलर्जिकल ग्रेड सिलिकॉन (MGS)
या प्रक्रियेतून मेटॅलर्जिकल ग्रेड सिलिकॉन तयार होते, जे सामान्यतः 98-99% शुद्ध असते.
- प्रक्रिया: SiO₂ (s) + 2C (s) → Si (l) + 2CO (g)
- MGS चा स्टील उद्योगात मोठ्या प्रमाणात मिश्रधातू घटक (फेरोसिलिकॉन) म्हणून ताकद सुधारण्यासाठी आणि डीऑक्सिडायझर (deoxidizer) म्हणून वापर केला जातो. याचा उपयोग अॅल्युमिनियम मिश्रधातूंच्या उत्पादनात देखील होतो. भारतातील स्टील उद्योग घरगुती आणि आयात केलेले फेरोसिलिकॉन दोन्ही वापरतो.
इलेक्ट्रॉनिक ग्रेड सिलिकॉन (EGS)
इलेक्ट्रॉनिक्स आणि सौर पेशींमधील (solar cells) उपयोगांसाठी, खूप जास्त शुद्धतेच्या सिलिकॉनची (99.9999999% पर्यंत शुद्ध) आवश्यकता असते. MGS ला सीमेन्स प्रक्रिया (Siemens process) सारख्या जटिल रासायनिक प्रक्रियेद्वारे पुढे शुद्ध केले जाते.
- सीमेन्स प्रक्रिया: MGS ची हायड्रोजन क्लोराईड (HCl) सोबत अभिक्रिया करून ट्रायक्लोरोसिलॅन (SiHCl₃) हा द्रव तयार केला जातो. नंतर हा द्रव अपूर्णांक ऊर्ध्वपातनाद्वारे (fractional distillation) शुद्ध करून अशुद्धी काढल्या जातात. शेवटी, शुद्ध ट्रायक्लोरोसिलॅनला उच्च तापमानावर हायड्रोजन वायूने कमी करून अति-शुद्ध सिलिकॉन जमा केले जाते.
- भारतातील वापर: भारताचे इलेक्ट्रॉनिक्स उत्पादन आणि सौर ऊर्जा क्षेत्र विस्तारत असल्यामुळे, सेमीकंडक्टर फॅब्रिकेशन (semiconductor fabrication) आणि फोटोव्होल्टेइक सेल (photovoltaic cell) उत्पादनासाठी उच्च-शुद्धता सिलिकॉनची मागणी वाढत आहे.
सिलिकॉनचे सामान्य दैनंदिन उपयोग
सिलिकॉनचे अद्वितीय गुणधर्म त्याला अनेक उपयोगांमध्ये अपरिहार्य बनवतात:
-
इलेक्ट्रॉनिक्स (सेमीकंडक्टर्स): अति-शुद्ध सिलिकॉन हे मायक्रोचिप्स (microchips), ट्रान्झिस्टर (transistors) आणि एकात्मिक सर्किट्ससाठी (integrated circuits) मूलभूत सामग्री आहे, जे जवळजवळ सर्व इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये वापरले जाते. यात स्मार्टफोन, संगणक, दूरदर्शन आणि विविध डिजिटल उपकरणे समाविष्ट आहेत, जे संपूर्ण भारतात मोठ्या प्रमाणावर तयार केले जातात आणि वापरले जातात. भारतातील वाढता सेमीकंडक्टर उद्योग सिलिकॉनच्या या उपयोगावर मोठ्या प्रमाणात अवलंबून आहे.
-
काच उत्पादन: सिलिकॉन डायऑक्साइड (सिलिका वाळू) हे काचेतील प्राथमिक घटक आहे. घरे आणि कार्यालयांमधील खिडक्यांच्या काचांपासून ते बाटल्या, प्रयोगशाळेतील काचेची भांडी आणि फायबरग्लास इन्सुलेशनपर्यंत, सिलिकाच्या स्वरूपातील सिलिकॉन सर्वत्र आहे. भारतात एक महत्त्वपूर्ण काच उत्पादन उद्योग आहे, जो घरगुती सिलिका वाळू संसाधनांचा उपयोग करतो.
-
सिरॅमिक्स आणि बांधकाम साहित्य: सिलिका हे सिमेंट, कॉंक्रीट, विटा आणि फरशांमधील एक महत्त्वाचा घटक आहे. सिलिकॉन कार्बाइड, जो सिलिकॉन आणि कार्बनचे एक संयुग आहे, हे अत्यंत कठीण साहित्य आहे जे अपघर्षक (abrasives), दुर्दम्य पदार्थ (refractory materials) आणि अगदी बुलेटप्रूफ जॅकेटमध्येही वापरले जाते. भारतातील विस्तृत बांधकाम क्षेत्र पायाभूत सुविधांच्या विकासासाठी या सिलिकॉन-आधारित सामग्रीवर मोठ्या प्रमाणात अवलंबून आहे.
-
सिलिकॉन्स (Polymers): हे सिलिकॉन, ऑक्सिजन, कार्बन आणि हायड्रोजन असलेले सिंथेटिक पॉलिमर आहेत. सिलिकॉन्स उच्च तापमानावर स्थिर असतात, जल-प्रतिरोधक असतात आणि विद्युतरोधक (electrically insulating) असतात. ते सीलंट्स (उदा. बाथरूम सीलंट्स, खिडकी कॅलकिंग), स्नेहक (lubricants), वैद्यकीय रोपण (उदा. प्रोस्थेटिक्स, पेसमेकर), सौंदर्यप्रसाधने आणि स्वयंपाकघरातील वस्तूंमध्ये (उदा. सिलिकॉन बेकवेअर) वापरले जातात. ही उत्पादने भारतीय घरांमध्ये आणि उद्योगांमध्ये सामान्य आहेत.
-
सौर पेशी (फोटोव्होल्टेइक): फोटोव्होल्टेइक पेशींच्या (photovoltaic cells) उत्पादनासाठी उच्च-शुद्धता सिलिकॉन महत्त्वाचे आहे, जे सूर्यप्रकाशाचे विजेमध्ये रूपांतर करतात. पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन (Polycrystalline silicon) आणि मोनोक्रिस्टलाइन सिलिकॉन (monocrystalline silicon) हे वापरले जाणारे दोन मुख्य प्रकार आहेत. नूतनीकरणीय ऊर्जा स्त्रोतांकडे भारताच्या आक्रमक वाटचालीमुळे देशभरात, मोठ्या प्रमाणातील सौर शेतीपासून ते छतावरील स्थापनेपर्यंत, सिलिकॉन-आधारित सौर पॅनेलच्या स्थापनेत लक्षणीय वाढ झाली आहे.