मॅग्नेशियमचे (Mg) धातूकाम आणि औद्योगिक निष्कर्षण

नैसर्गिक उपलब्धता आणि प्रमुख धातूके

मॅग्नेशियम हे पृथ्वीच्या कवचातील आठवे सर्वात जास्त प्रमाणात आढळणारे मूलद्रव्य आहे आणि समुद्राच्या पाण्यामध्ये विरघळलेले तिसरे सर्वात जास्त प्रमाणात आढळणारे मूलद्रव्य आहे. त्याच्या उच्च अभिक्रियाशीलतेमुळे ते नेहमी संयुगाच्या स्वरूपात आढळते.

• समुद्राचे पाणी आणि ब्राइन (Brines): विरघळलेल्या मॅग्नेशियम क्लोराईड (MgCl₂) चा मोठा साठा.
• मॅग्नेसाइट (Magnesite): MgCO₃ (मॅग्नेशियम कार्बोनेट).
• डोलोमाइट (Dolomite): MgCO₃·CaCO₃ (मॅग्नेशियम आणि कॅल्शियमचे मिश्रित कार्बोनेट).
• कार्नेलाइट (Carnallite): KCl·MgCl₂·6H₂O (पोटॅशियम क्लोराईड आणि मॅग्नेशियम क्लोराईडचे जलयुक्त दुहेरी क्षार).
• एस्बेस्टोस (Asbestos): क्रायसोटीले Mg₃Si₂O₅(OH)₄ सारखी सिलिकेट खनिजे.

धातूकाचे सांद्रण

मॅग्नेशियमचे मुख्य औद्योगिक स्रोत समुद्राचे पाणी, ब्राइन आणि डोलोमाइट आहेत. सांद्रणाची प्रक्रिया स्रोतानुसार बदलते.

समुद्राच्या पाण्यातून (डाऊ प्रक्रियेचे तत्व)

1. मॅग्नेशियम हायड्रॉक्साईडचे अवक्षेपण (Precipitation): समुद्राचे पाणी (ज्यात विरघळलेले MgCl₂ असते) चुन्याच्या दुधाने (Ca(OH)₂) उपचारित केले जाते. हे चुन्याचे दूध चुनखडीला गरम करून (CaCO₃ → CaO + CO₂) आणि विझवून (CaO + H₂O → Ca(OH)₂) तयार केले जाते. MgCl₂(aq) + Ca(OH)₂(aq) → Mg(OH)₂(s) + CaCl₂(aq) मॅग्नेशियम हायड्रॉक्साईड अत्यंत अविद्राव्य असल्यामुळे ते अवक्षेपित होते.
2. मॅग्नेशियम क्लोराईडमध्ये रूपांतरण: अवक्षेपित Mg(OH)₂ गाळून, धुतले जाते आणि नंतर हायड्रोक्लोरिक आम्लाशी (HCl) अभिक्रिया केली जाते. Mg(OH)₂(s) + 2HCl(aq) → MgCl₂(aq) + 2H₂O(l)
3. निर्जलीकरण (Dehydration): परिणामी मिळालेले MgCl₂ द्रावण बाष्पीभवन करून आणि काळजीपूर्वक निर्जलित करून निर्जल MgCl₂ मिळवले जाते. जलविघटन टाळण्यासाठी पूर्ण निर्जलीकरण आवश्यक आहे: MgCl₂·6H₂O(s) → MgCl₂(s) + 6H₂O(g) (HCl वायूच्या वातावरणात गरम करणे आवश्यक आहे, जेणेकरून जलविघटन दडपले जाईल: MgCl₂ + 2H₂O → MgO + 2HCl).

डोलोमाइटमधून

1. कॅल्सिनेशन (Calcination): डोलोमाइट (MgCO₃·CaCO₃) उच्च तापमानावर कॅल्साइन केले जाते, ज्यामुळे मॅग्नेशियम ऑक्साईड आणि कॅल्शियम ऑक्साईडचे मिश्रण तयार होते. MgCO₃·CaCO₃(s) → MgO(s) + CaO(s) + 2CO₂(g)
2. क्लोराईडमध्ये रूपांतरण: मिश्रित ऑक्साईड नंतर HCl वापरून वर वर्णन केल्याप्रमाणे MgCl₂ मध्ये रूपांतरित केले जाऊ शकतात, किंवा MgO पिजन प्रक्रियेत (थर्मल रिडक्शन) वापरले जाऊ शकते.

कच्च्या धातूत रूपांतरण

मॅग्नेशियमचे औद्योगिक रूपांतरण प्रामुख्याने विद्युत अपघटनाद्वारे (electrolysis) केले जाते. थर्मल रिडक्शन पद्धती देखील वापरल्या जातात, परंतु प्राथमिक उत्पादनासाठी त्या कमी प्रमाणात वापरल्या जातात.

विद्युत अपघटनी रूपांतरण (डाऊ प्रक्रिया)

मॅग्नेशियम तयार करण्याची ही मुख्य पद्धत आहे.

1. विद्युत अपघटनी द्रावण (Electrolyte): निर्जल MgCl₂ हे NaCl आणि CaCl₂ (किंवा KCl) सोबत वितळवले जाते. हे क्षार खालील कारणांसाठी वापरले जातात:
   • विद्युत अपघटनी मिश्रणाचा वितळणांक (melting point) कमी करणे (शुद्ध MgCl₂ साठी 714°C वरून ~450°C पर्यंत).
   • विद्युत चालकता वाढवणे.
   • विद्युत अपघटनी द्रावणाची घनता कमी करणे, ज्यामुळे वितळलेले मॅग्नेशियम वर तरंगते आणि ते सहजपणे गोळा करता येते.
2. सेलची रचना: इलेक्ट्रोलाइटिक सेलमध्ये (विद्युत अपघटनी कक्ष) सामान्यतः दुर्दम्य (refractory) पदार्थाचे अस्तर असलेली स्टीलची टाकी असते. ग्रॅफाइटचे सळई ॲनोड म्हणून काम करतात आणि स्टीलच्या प्लेट्स कॅथोड म्हणून काम करतात.
3. विद्युत अपघटन (Electrolysis): सुमारे 700°C तापमानावर वितळलेल्या विद्युत अपघटनी द्रावणातून डायरेक्ट करंट (DC) प्रवाहित केला जातो.
   • कॅथोडवर (स्टील): मॅग्नेशियम आयन इलेक्ट्रॉन मिळवतात आणि वितळलेल्या मॅग्नेशियम धातूत कमी होतात. Mg²⁺(l) + 2e⁻ → Mg(l)
   • ॲनोडवर (ग्रॅफाइट): क्लोराईड आयन इलेक्ट्रॉन गमावतात आणि क्लोरीन वायूमध्ये ऑक्सिडीकरण पावतात. 2Cl⁻(l) → Cl₂(g) + 2e⁻
4. संकलन (Collection): वितळलेले मॅग्नेशियम, विद्युत अपघटनी द्रावणापेक्षा हलके असल्यामुळे, वर तरंगते आणि ठराविक अंतराने siphon करून काढले जाते. क्लोरीन वायू एक मौल्यवान उप-उत्पादन म्हणून गोळा केला जातो आणि HCl तयार करण्यासाठी पुन्हा वापरला जाऊ शकतो.

थर्मल रिडक्शन (पिजन प्रक्रिया)

या प्रक्रियेमध्ये फेरोसिलिकॉन (FeSi) वापरून MgO (कॅल्साइन केलेल्या डोलोमाइट किंवा मॅग्नेसाइटमधून मिळवलेले) कमी केले जाते.

1. अभिक्रियाकारके (Reactants): कॅल्साइन केलेले डोलोमाइट (MgO·CaO) फेरोसिलिकॉन (लोह आणि सिलिकॉनचे एक मिश्रधातू) सोबत मिसळले जाते.
2. अभिक्रिया: हे मिश्रण उच्च तापमानावर (1100-1200°C) व्हॅक्यूम फर्नेसमध्ये गरम केले जाते. सिलिकॉन MgO ला कमी करते, आणि CaO सिलिकासाठी स्कॅव्हेंजर म्हणून कार्य करते, ज्यामुळे समतोल उजव्या बाजूला सरकतो. 2(MgO·CaO)(s) + SiFe(s) → 2Mg(g) + Ca₂SiO₄(s) + Fe(s)
3. ऊर्ध्वपातन (Distillation): मॅग्नेशियम या तापमानावर बाष्पीभवन होते आणि फर्नेसच्या थंड भागात घनीभूत होऊन कच्चे मॅग्नेशियम तयार होते. ही प्रक्रिया ऊर्जा-केंद्रित आहे आणि सामान्यतः लहान-मोठ्या उत्पादनासाठी किंवा विशिष्ट अनुप्रयोगांसाठी वापरली जाते.

शुद्धीकरण आणि परिष्करण

विद्युत अपघटन किंवा थर्मल रिडक्शनमधून मिळालेल्या कच्च्या मॅग्नेशियमची शुद्धता सामान्यतः 99-99.8% असते. उच्च शुद्धता प्राप्त करण्यासाठी पुढील शुद्धीकरण केले जाते.

1. ऊर्ध्वपातन (Distillation): उच्च शुद्ध मॅग्नेशियम मिळवण्याची ही सर्वात सामान्य पद्धत आहे.
   • कच्च्या मॅग्नेशियमला व्हॅक्यूम फर्नेसमध्ये त्याच्या उत्कलनांकापर्यंत (1091°C) गरम केले जाते.
   • मॅग्नेशियम बाष्पीभवन होते, ज्यामुळे लोह, सिलिकॉन आणि विरघळलेले क्लोराईड्स यांसारख्या कमी अस्थिर अशुद्धी मागे राहतात.
   • शुद्ध मॅग्नेशियम बाष्प नंतर फर्नेसच्या थंड विभागात घनीभूत होऊन 99.99% पर्यंत शुद्ध मॅग्नेशियम धातू मिळते.
2. फ्लक्स रिफायनिंग (Flux Refining): वितळलेल्या कच्च्या मॅग्नेशियमवर विशिष्ट फ्लक्सने (क्लोराईड्स आणि फ्लोराईड्सचे मिश्रण, उदा. MgCl₂-BaCl₂-CaF₂) प्रक्रिया केली जाऊ शकते. हे फ्लक्स गैर-धातुयुक्त समावेशन आणि काही धातुयुक्त अशुद्धी काढण्यास मदत करतात, ज्यामुळे dross (धातूचा कचरा) तयार होतो, जो वितळलेल्या मॅग्नेशियममधून वेगळा होतो. हे पुढील शुद्धीकरणापूर्वीची प्रारंभिक पायरी असते.
3. पुनर्चक्रीकरण (Recycling): मॅग्नेशियम धातूचा एक महत्त्वपूर्ण भाग भंगार (scrap) च्या पुनर्चक्रीकरणातून मिळवला जातो, ज्यामध्ये फ्लक्स रिफायनिंग आणि ऊर्ध्वपातन सारख्या प्रक्रियांद्वारे वितळवणे आणि शुद्धीकरण करणे समाविष्ट असते.