सोने (Au) धातूशास्त्र आणि औद्योगिक निष्कर्षण

सोने (Au) धातूशास्त्र आणि औद्योगिक निष्कर्षण

सोने (Au) हा एक उदात्त धातू आहे जो त्याच्या उत्कृष्ट गंज प्रतिकारशक्ती (corrosion resistance) आणि उच्च विद्युत चालकतेसाठी ओळखला जातो. त्याचे निष्कर्षण प्रामुख्याने मूळ धातू (native metal) पुनर्प्राप्त करण्यावर लक्ष केंद्रित करते.

नैसर्गिक आढळ आणि प्रमुख धातूखनिजे

सोने त्याच्या अत्यंत कमी अभिक्रियाशीलतेमुळे प्रामुख्याने त्याच्या मूळ (मुक्त) स्थितीत आढळते.

• मूळ सोने (Native Gold): क्वार्ट्झ शिरा (quartz veins) आणि गाळाच्या (प्लॅसर) निक्षेपांमध्ये (alluvial/placer deposits) डिके (nuggets), कण (flakes) किंवा सूक्ष्म कणांच्या रूपात विखुरलेले आढळते.
• संमिश्र (Alloys): हे बऱ्याचदा चांदीसोबत मिसळलेल्या स्थितीत आढळते, ज्याला इलेक्ट्रम (electrum) म्हणतात.
• टेल्युराइड्स (Tellurides): कमी सामान्य असले तरी, सोने टेल्युराइड्सच्या रूपात आढळू शकते, उदा. कॅलव्हेराइट (Calaverite, AuTe₂) आणि सिल्व्हनाइट (Sylvanite, (Ag,Au)Te₂). औद्योगिक निष्कर्षणामध्ये, मूळ सोने (native gold) हे प्राथमिक लक्ष्य असते.

धातूखनिजाचे संहतीकरण (Concentration of the Ore)

संहतीकरणाची पद्धत सोन्याच्या धातूखनिजाच्या स्वरूपानुसार बदलते.

1. गुरुत्वाकर्षण विलगीकरण (Gravity Separation)

• तत्त्व: सोन्याचे उच्च विशिष्ट गुरुत्व (19.3 g/cm³) धातूमाला (gangue materials) (उदा. क्वार्ट्झ, विशिष्ट गुरुत्व ~2.65 g/cm³) च्या तुलनेत वापरले जाते.
• प्रक्रिया: गाळाच्या निक्षेपांसाठी (alluvial deposits) किंवा बारीक केलेल्या धातूखनिजांसाठी, पॅन करणे (panning), स्लुईसिंग (sluicing) आणि जिगिंग (jigging) यांसारख्या पद्धती वापरल्या जातात. पाणी हलके धातूमालेचे कण वाहून नेते, आणि जड सोन्याचे कण मागे राहतात.

2. रासायनिक निक्षालन (Chemical Leaching) (सायनाइड प्रक्रिया / मॅकआर्थर-फॉरेस्ट प्रक्रिया)

• तत्त्व: सोने, अगदी त्याच्या मूळ स्थितीतही, हवेच्या (ऑक्सिजनच्या) उपस्थितीत विरळ अल्कली सायनाइड्सद्वारे निवडकपणे विरघळले जाऊ शकते. कमी दर्जाच्या धातूखनिजांसाठी (low-grade ores) आणि बारीक विखुरलेल्या सोन्यासाठी ही सर्वात सामान्य पद्धत आहे.
• प्रक्रिया:
  • बारीक केलेली सोन्याची धातूखनिज (finely powdered gold ore) हवा (ऑक्सिडीकरण कारक म्हणून) आणि पाण्याच्या उपस्थितीत सोडियम सायनाइड (NaCN) किंवा पोटॅशियम सायनाइड (KCN) च्या विरळ द्रावणाने (0.1-0.3%) उपचारित केली जाते.
  • सोने विरघळून विद्राव्य डायसायनोऑरेट(I) संकुल (soluble dicyanoaurate(I) complex) तयार होते.
  • अभिक्रिया: 4Au(s) + 8CN-(aq) + O2(g) + 2H2O(l) \rightarrow 4[Au(CN)2]-(aq) + 4OH-(aq)
  • ही प्रक्रिया अविद्राव्य धातूमालापासून सोने वेगळे करून त्याचे प्रभावीपणे संहतीकरण करते.

अपरिष्कृत धातूत क्षपण (Reduction to Crude Metal)

सायनाइड निक्षालनानंतर, विरघळलेल्या संकुलातून सोने पुनर्प्राप्त करणे आवश्यक आहे.

1. झिंकद्वारे विस्थापन (Displacement by Zinc) (मेरिल-क्रो प्रक्रिया)

• तत्त्व: डायसायनोऑरेट(I) संकुल द्रावणातून सोने झिंक धातूच्या धूळ (zinc dust) सारख्या धनविद्युत धातूने (electropositive metal) अवक्षेपित केले जाते. झिंक क्षपणकारक (reducing agent) म्हणून कार्य करते, सोन्याला विस्थापित करते.
• प्रक्रिया: [Au(CN)₂]⁻ आयन असलेले स्वच्छ द्रावण हवा काढून (de-aerated) (झिंकचे ऑक्सिडीकरण टाळण्यासाठी) झिंकच्या धुळीने उपचारित केले जाते.
• अभिक्रिया: 2[Au(CN)2]-(aq) + Zn(s) \rightarrow [Zn(CN)4]2-(aq) + 2Au(s)
• अवक्षेपित (precipitated) सोने गाळून, धुतले जाते आणि वाळवले जाते, ज्यामुळे अपरिष्कृत सोने (क्रूड गोल्ड) मिळते (याला अनेकदा “गोल्ड स्लाइम” किंवा “गोल्ड प्रेसिपिटेट” म्हणतात).

शुद्धीकरण आणि परिष्करण (Refining and Purification)

क्षपण प्रक्रियेतून मिळालेल्या अपरिष्कृत सोन्यामध्ये अशुद्धी (उदा. Ag, Cu, Zn, Fe, Te) असतात. शुद्धीकरणासाठी अनेक पद्धती वापरल्या जातात.

1. मिलर प्रक्रिया (Miller Process)

• तत्त्व: उच्च तापमानावर क्लोरीन वायूच्या संपर्कात आणून अशुद्धी दूर केल्या जातात.
• प्रक्रिया: वितळलेल्या अपरिष्कृत सोन्यातून (1064 °C च्या वरच्या वितळलेल्या बिंदूवर) वायू क्लोरीन (gaseous chlorine) फुंकला जातो. Ag, Cu, Zn आणि Te यांसारख्या अशुद्धी क्लोरीनसोबत अभिक्रिया करून त्यांच्या संबंधित क्लोराईड्स तयार करतात.
  • चांदीसाठी अभिक्रिया: 2Ag(l) + Cl2(g) \rightarrow 2AgCl(l)
• सिल्व्हर क्लोराईड (AgCl) आणि इतर धातूंचे क्लोराईड्स कमी घनतेचे असतात आणि ते एकतर वेगळ्या वितळलेल्या थराच्या रूपात वर येतात किंवा अस्थिर (volatile) असल्यामुळे बाहेर पडतात, ज्यामुळे उच्च शुद्ध सोने मागे राहते. या प्रक्रियेद्वारे सामान्यतः 99.5-99.9% शुद्धता प्राप्त होते.

2. विद्युत अपघटनी शुद्धीकरण (Electrolytic Refining) (वोल्व्हिल प्रक्रिया)

• तत्त्व: विद्युत अपघटनाचा (electrolysis) वापर करून सोन्याचे शुद्धीकरण केले जाते, ज्यामुळे अत्यंत उच्च शुद्धता (99.999% पर्यंत) शक्य होते.
• मांडणी (Setup):
  • ॲनोड (Anode): अशुद्धी असलेले अपरिष्कृत सोन्याचे साचे (cast blocks).
  • कॅथोड (Cathode): शुद्ध सोन्याच्या पातळ फॉइलच्या पत्र्या (thin sheets).
  • विद्युत अपघटनी द्रावण (Electrolyte): चालकता (conductivity) राखण्यासाठी आणि जलविच्छेदन (hydrolysis) टाळण्यासाठी हायड्रोक्लोरिक आम्ल (HCl) असलेले गोल्ड क्लोराईड (AuCl₃) चे जलीय द्रावण (aqueous solution).
• प्रक्रिया:
  • जेव्हा विद्युत प्रवाह प्रवाहित केला जातो, तेव्हा ॲनोडमधील सोने आणि कमी उदात्त धातू (उदा. Cu, Zn, Fe) विद्युत अपघटनी द्रावणात धन आयन (positive ions) म्हणून विरघळतात.
  • ॲनोड अभिक्रिया: Au(s) \rightarrow Au^\{3+\}(aq) + 3e^\{-\} (आणि कमी उदात्त धातूंसाठी तत्सम)
  • द्रावणातील केवळ सोन्याचे आयन निवडकपणे कॅथोडवर शुद्ध सोन्याच्या रूपात जमा होतात.
  • कॅथोड अभिक्रिया: Au^\{3+\}(aq) + 3e^\{-\} \rightarrow Au(s)
  • अधिक उदात्त धातू (उदा. प्लॅटिनम, पॅलॅडियम, रोडियम, चांदी) ॲनोडच्या विभवावर विरघळत नाहीत आणि “ॲनोड चिखल” (anode sludge / anode mud) म्हणून तळाशी जमा होतात, ज्यावर नंतर प्रक्रिया करून हे मौल्यवान धातू पुनर्प्राप्त केले जातात.
  • कमी उदात्त धातू विद्युत अपघटनी द्रावणात विरघळलेले राहतात.
• या पद्धतीमुळे अत्यंत उच्च शुद्धतेचे सोने मिळते.