जस्ताची ओळख
जस्त हे ‘Zn’ या चिन्हाने दर्शविले जाणारे एक रासायनिक मूलद्रव्य आहे आणि त्याचा अणुअंक ३० आहे. हे निळसर-पांढऱ्या रंगाचे, चमकदार धातू आहे जे सामान्य तापमानावर ठिसूळ असते, परंतु १००°C ते १५०°C दरम्यानच्या तापमानावर ते लवचिक (malleable) होते. जस्त हे संक्रमण धातूंच्या (transition metals) गटातील सदस्य आहे, तरीही त्याच्या रसायनशास्त्राची तुलना अनेकदा संक्रमणोत्तर धातूंशी (post-transition metals) केली जाते कारण त्याच्या d-कक्षेतील इलेक्ट्रॉन भरलेले असतात. हे मानवी आरोग्यासाठी एक आवश्यक सूक्ष्म मूलद्रव्य (trace element) आहे, जे विविध जैविक प्रक्रियांमध्ये महत्त्वपूर्ण भूमिका बजावते.
जस्ताचे दैनंदिन उपयोग
जस्तामध्ये असे अद्वितीय गुणधर्म आहेत जे त्याला अनेक दैनंदिन उत्पादनांमध्ये आणि औद्योगिक प्रक्रियांमध्ये अपरिहार्य बनवतात.
१. गॅल्व्हनायझेशन
जस्ताच्या सर्वात व्यापक उपयोगांपैकी एक म्हणजे गॅल्व्हनायझेशन, ही एक प्रक्रिया आहे जिथे गंज टाळण्यासाठी स्टील किंवा लोखंडावर जस्ताचे संरक्षक आवरण (coating) लावले जाते. जस्त एक ‘बलिदानी ॲनोड’ (sacrificial anode) म्हणून कार्य करते, जे लोखंडाऐवजी स्वतः गंजते, ज्यामुळे खालील धातूचे संरक्षण होते. ही पद्धत धातूच्या संरचनेचे आयुष्य लक्षणीयरीत्या वाढवते. भारतात, गॅल्व्हनाइज्ड स्टीलचा वापर विशेषतः जास्त आर्द्रता आणि पाऊस असलेल्या भागांमध्ये, छताची पत्रे, पाण्याची पाईप्स, कुंपण आणि बांधकाममधील संरचनात्मक घटकांसाठी सामान्यतः केला जातो.
२. बॅटरीज
जस्त विविध प्रकारच्या बॅटरीजमध्ये, विशेषतः ड्राय सेल बॅटरीज (उदा. AA, AAA, C, D बॅटरीज) आणि झिंक-एअर बॅटरीजमध्ये महत्त्वाची भूमिका बजावते. ड्राय सेल बॅटरीजमध्ये, जस्त ॲनोड म्हणून कार्य करते, जिथे ते इलेक्ट्रॉन सोडण्यासाठी ऑक्सिडीकरण प्रक्रियेतून जाते आणि विद्युत ऊर्जा प्रदान करते. या बॅटरीजचा वापर भारतातील घरांमध्ये टॉर्च, रिमोट कंट्रोल आणि पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर केला जातो.
३. औषधी आणि स्थानिक (Topical) उपयोग
जस्त हे मानवांसाठी एक आवश्यक सूक्ष्म पोषक तत्व आहे, जे रोगप्रतिकारशक्ती, जखमा भरणे, डीएनए संश्लेषण (DNA synthesis) आणि पेशी विभाजनासाठी (cell division) महत्त्वपूर्ण आहे. जस्ताच्या कमतरता, अतिसार आणि सामान्य सर्दीवर उपचार करण्यासाठी जस्त पूरक (supplements) दिली जातात. झिंक ऑक्साईड, जो जस्ताचा एक संयुग आहे, स्थानिक क्रिम्स आणि मलम (ointments) मध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरला जातो. हे एक अँटीसेप्टिक, एस्ट्रिंजंट आणि संरक्षक घटक म्हणून कार्य करते, आणि डायपर रॅश क्रिम्स, कॅलमाइन लोशन आणि सूर्यप्रकाशापासून त्वचेचे संरक्षण करणाऱ्या सनस्क्रीनमध्ये सामान्यतः आढळते.
४. संमिश्र (Alloys)
जस्त अनेक महत्त्वाच्या संमिश्रांमध्ये (alloys) एक प्रमुख घटक आहे, ही अशी सामग्री आहे जी दोन किंवा अधिक धातूंचे घटक एकत्र करून तयार केली जाते. पितळ (Brass), तांबे आणि जस्ताचे संमिश्र, त्याच्या मजबुतीसाठी, गंज प्रतिरोधकतेसाठी आणि सौंदर्यात्मक आकर्षणासाठी प्रसिद्ध आहे. भारतात, पितळाचा वापर पारंपरिकपणे भांडी, सजावटीच्या वस्तू, वाद्ये आणि हार्डवेअर बनवण्यासाठी केला जातो. जस्ताचा वापर कांस्य (bronze) आणि निकेल सिल्व्हर (nickel silver) संमिश्रांमध्येही कमी प्रमाणात केला जातो.
५. रंगद्रव्ये (Pigments) आणि लेप (Coatings)
झिंक ऑक्साईडचा वापर रंग, सिरॅमिक्स आणि रबरमध्ये पांढरे रंगद्रव्य (pigment) म्हणून केला जातो. त्याची अपारदर्शकता आणि अतिनील प्रकाश (UV light) शोषून घेण्याची क्षमता या उपयोगांमध्ये त्याला मौल्यवान बनवते. झिंक क्रोमेट आणि झिंक फॉस्फेटचा वापर धातूंसाठीच्या प्राईमर्समध्ये गंज-प्रतिरोधक रंगद्रव्य म्हणून केला जातो. याव्यतिरिक्त, झिंक डस्टचा वापर संरक्षक लेपमध्ये आणि रासायनिक प्रक्रियेत एक अपचायक (reducing agent) म्हणून केला जातो.
जस्ताची नैसर्गिक उपलब्धता
जस्त निसर्गात स्वतंत्र धातू म्हणून आढळत नाही, परंतु ते विविध खनिजांमध्ये (minerals) आढळते. जस्ताचे सर्वात महत्त्वाचे धातू खडक स्फॅलेराईट आहे, ज्याला झिंक ब्लेंडे (ZnS) असेही म्हणतात, हे एक झिंक सल्फाईड खनिज आहे. इतर जस्त-युक्त खनिजांमध्ये स्मिथसोनाईट (झिंक कार्बोनेट, ZnCO₃) आणि हेमिमॉर्फाइट (झिंक सिलिकेट, Zn₄Si₂O₇(OH)₂·H₂O) यांचा समावेश होतो.
जागतिक स्तरावर, जस्ताच्या धातुकांचे महत्त्वपूर्ण साठे ऑस्ट्रेलिया, कॅनडा, चीन आणि युनायटेड स्टेट्समध्ये आढळतात. भारतात, जस्ताचे महत्त्वपूर्ण साठे प्रामुख्याने राजस्थान राज्यात आहेत. प्रमुख खाणकाम क्षेत्रांमध्ये झावर, रामपुरा आगूचा आणि राजपुरा दरीबा यांचा समावेश आहे, जिथे जस्त अनेकदा शिसे (lead) आणि चांदीच्या धातुकांसोबत आढळते. हे साठे अरवली पर्वतरांगेच्या भूवैज्ञानिक रचनेचा भाग आहेत.
जस्त निष्कर्षण (Extraction) आणि औद्योगिक प्रक्रिया
जस्ताचे त्याच्या धातुकातून निष्कर्षण (extraction) करण्यासाठी जटिल धातुशास्त्र प्रक्रियांची मालिका असते.
खाणकाम आणि धातुकाचे संवर्धन (Ore Beneficiation)
जस्ताची धातुके सामान्यतः भूमिगत किंवा खुल्या खाणकाम पद्धतींनी काढली जातात. एकदा काढल्यानंतर, धातुक संवर्धनाखाली (beneficiation) जाते, ही एक प्रक्रिया आहे ज्यात मौल्यवान खनिजे गँग्जपासून (टाकाऊ खडक) वेगळी केली जातात. यात सामान्यतः कुटणे (crushing), दळणे (grinding) आणि फ्रॉथ फ्लोटेशन (froth flotation) यांचा समावेश असतो. फ्रॉथ फ्लोटेशनमध्ये, बारीक दळलेले धातुक पाणी आणि अभिकारकांसोबत (reagents) मिसळले जाते, आणि बुडबुडे तयार करण्यासाठी हवा त्यातून सोडली जाते. झिंक सल्फाईडचे कण निवडकपणे हवेच्या बुडबुड्यांना चिकटतात आणि पृष्ठभागावर तरंगतात, ज्यामुळे एक ‘केंद्रित’ (concentrate) तयार होते, तर टाकाऊ सामग्री खाली बसते.
धातुशास्त्र निष्कर्षण (Metallurgical Extraction)
झिंक केंद्रित, प्रामुख्याने झिंक सल्फाईड, नंतर धातू काढण्यासाठी प्रक्रिया केले जाते. दोन मुख्य पद्धती वापरल्या जातात:
१. पायरोमेटलर्जिकल प्रक्रिया (इम्पीरियल स्मेल्टिंग प्रक्रिया): या पारंपरिक पद्धतीमध्ये झिंक सल्फाईड केंद्रित वायूमध्ये भाजले जाते (roasting) जेणेकरून ते झिंक ऑक्साईड (ZnO) आणि सल्फर डायऑक्साइड (SO₂) मध्ये रूपांतरित होते.
2ZnS(s) + 3O₂(g) → 2ZnO(s) + 2SO₂(g)
त्यानंतर झिंक ऑक्साईड कार्बन (कोक) सह मिसळले जाते आणि उच्च तापमानावर (सुमारे १२००°C) एक अपचयन भट्टीमध्ये (reduction furnace) गरम केले जाते. कार्बन एक अपचायक (reducing agent) म्हणून कार्य करते, जे झिंक ऑक्साईडला धातूच्या जस्त वाफेमध्ये रूपांतरित करते.
ZnO(s) + C(s) → Zn(g) + CO(g)
जस्ताची वाफ नंतर द्रव जस्तमध्ये घनीभूत (condensed) केली जाते.
२. हायड्रोमेटलर्जिकल प्रक्रिया (इलेक्ट्रोलिटिक प्रक्रिया): ही अधिक सामान्य आणि पर्यावरणाला अनुकूल पद्धत आहे. झिंक सल्फाईड केंद्रित प्रथम भाजले जाते (roasted) जेणेकरून झिंक ऑक्साईड तयार होईल. त्यानंतर झिंक ऑक्साईड पातळ सल्फ्यूरिक ऍसिडने लीच (leached) केले जाते जेणेकरून झिंक सल्फेटचे जलीय द्रावण (aqueous solution) तयार होईल.
ZnO(s) + H₂SO₄(aq) → ZnSO₄(aq) + H₂O(l)
झिंक सल्फेट द्रावण लोह, कॅडमियम आणि तांबे यांसारख्या अशुद्धी दूर करण्यासाठी शुद्ध केले जाते. शेवटी, इलेक्ट्रोलिसिसद्वारे शुद्ध जस्त धातू परत मिळवला जातो, जिथे शिसे ॲनोड (lead anodes) आणि ॲल्युमिनियम कॅथोड्स (aluminum cathodes) वापरून झिंक सल्फेट द्रावणातून विद्युत प्रवाह सोडला जातो. द्रावणातील जस्त आयन कॅथोड्सकडे सरकतात आणि शुद्ध धातूच्या जस्तमध्ये जमा होतात.
Zn²⁺(aq) + 2e⁻ → Zn(s) (कॅथोडवर)
H₂O(l) → ½O₂(g) + 2H⁺(aq) + 2e⁻ (ॲनोडवर)
भारतातील जस्त उत्पादन
हिंदुस्तान झिंक लिमिटेड (HZL) च्या कार्यामुळे भारत जस्ताचा एक महत्त्वाचा उत्पादक आहे. वेदांता रिसोर्सेसची उपकंपनी असलेली HZL, जगातील सर्वात मोठ्या एकात्मिक जस्त-शिसे उत्पादकांपैकी एक आहे. ही कंपनी राजस्थानमध्ये अनेक खाणी आणि स्मेल्टर (smelters) चालवते, ज्यात धातू काढण्यासाठी झावर खाणी, रामपुरा आगूचा खाण आणि राजपुरा दरीबा खाण यांचा समावेश आहे, तसेच चांदेरिया, दरीबा आणि देबारी येथे धातू उत्पादनासाठी एकात्मिक स्मेल्टर कॉम्प्लेक्स आहेत. या सुविधा जस्त काढण्यासाठी पायरोमेटलर्जिकल आणि हायड्रोमेटलर्जिकल दोन्ही मार्ग वापरतात, ज्यामुळे भारताच्या औद्योगिक धातू पुरवठ्यात महत्त्वपूर्ण योगदान मिळते.