नायट्रोजनचे (N) औद्योगिक निष्कर्षण

नैसर्गिक अस्तित्व आणि प्रमुख स्रोत

नायट्रोजन (N) हा एक अधातू मूलद्रव्य आहे जो प्रामुख्याने वायू स्वरूपात आढळतो. तो धातूंसाठी असलेल्या पारंपरिक “खनिजांमध्ये” आढळत नाही.

वातावरणातील नायट्रोजन (N₂)

• मुख्य स्रोत: पृथ्वीच्या वातावरणाचा सुमारे 78% भाग (आयतनानुसार) डायनायट्रोजन (N₂) आहे. हा सर्वात महत्त्वाचा औद्योगिक स्रोत आहे.

अजैविक नायट्रोजन संयुगे

• नायट्रेट्स: नैसर्गिकरित्या आढळणाऱ्या नायट्रेट क्षारांच्या स्वरूपात अस्तित्वात असतो, जसे की:
  • चिली सॉल्टपीटर: सोडियम नायट्रेट (NaNO₃)
  • इंडियन सॉल्टपीटर: पोटॅशियम नायट्रेट (KNO₃)
  • हे नायट्रोजन संयुगांचे स्रोत आहेत, परंतु सामान्यतः मूलभूत N₂ निष्कर्षणसाठी नाहीत.

सेंद्रिय नायट्रोजन संयुगे

• सर्व सजीव प्राण्यांमध्ये आढळते (प्रथिने, न्यूक्लिक ॲसिड, ॲमिनो ॲसिड). हे मूलभूत N₂ साठी औद्योगिक स्रोत नाहीत.

हवेतून नायट्रोजनचे औद्योगिक निष्कर्षण

मूलभूत नायट्रोजनचे (N₂) औद्योगिक निष्कर्षण वातावरणातील हवेतून ते वेगळे करण्यावर केंद्रित आहे. या प्रक्रियेमध्ये हवेचे द्रवीकरण आणि त्यानंतर अपूर्णांक ऊर्ध्वपातन यांचा समावेश होतो. सर्वात सामान्य पद्धत म्हणजे लिंडे-फ्रँकल प्रक्रिया किंवा तिचे प्रकार.

1. हवेची तयारी (पूर्व-उपचार)

कमी तापमानात अशुद्धींच्या घनीकरणामुळे होणारे अडथळे टाळण्यासाठी द्रवीकरणापूर्वी वातावरणातील हवा शुद्ध करणे आवश्यक आहे.

• धुळीचे निष्कासन: कणांचे पदार्थ काढून टाकण्यासाठी हवा फिल्टर केली जाते.
• कार्बन डायऑक्साइड (CO₂) निष्कासन: CO₂ खालील स्क्रबर्समधून हवा पास करून काढला जातो:
  • कॉस्टिक सोडा (NaOH) द्रावण: 2NaOH(aq) + CO₂(g) → Na₂CO₃(aq) + H₂O(l)
  • किंवा, मॉलिक्युलर सिव्ह्सवर अधिशोषण करून.
• पाण्याची वाफ (H₂O) निष्कासन: आर्द्रता खालीलप्रमाणे काढली जाते:
  • पाणी थंड करण्यासाठी हवा थंड करणे.
  • ॲक्टिव्हेटेड ॲल्युमिना (Al₂O₃) किंवा सिलिका जेल (SiO₂) सारख्या शुष्ककांमधून पास करणे.
  • मॉलिक्युलर सिव्ह्स वापरणे.

2. हवेचे द्रवीकरण

शुद्ध हवा नंतर द्रवीकरण साध्य करण्यासाठी वारंवार थंड केली जाते आणि संकुचित केली जाते, जी जूल-थॉमसन प्रभावावर अवलंबून असते.

• संपीडन: हवा उच्च दाबावर संकुचित केली जाते (उदा. 100-200 atm).
• थंड करणे: संकुचित हवा रेफ्रिजरंट्सने किंवा उष्णता एक्सचेंजरमध्ये आधीच थंड केलेल्या हवेचा विस्तार करून थंड केली जाते.
• विस्तार (जूल-थॉमसन प्रभाव): अत्यंत संकुचित, थंड हवा विस्तार वाल्व्हमधून वेगाने विस्तारण्यास परवानगी दिली जाते. या अचानक विस्तारामुळे तापमानात लक्षणीय घट होते.
  • प्रक्रिया प्रवाहाचे वर्णन:
    1. फिल्टर केलेली आणि शुद्ध हवा कंप्रेसरद्वारे संकुचित केली जाते.
    2. गरम संकुचित हवा येणाऱ्या थंड वायू प्रवाहांद्वारे उष्णता एक्सचेंजरमध्ये थंड केली जाते.
    3. आधीच थंड झालेल्या, विस्तारणाऱ्या वायूशी उष्णतेची देवाणघेवाण झाल्यामुळे पुढील शीतकरण होते.
    4. पूर्व-थंड केलेली, उच्च-दाब हवा विस्तार वाल्व्हमधून जाते, जिथे जूल-थॉमसन प्रभावामुळे ती वेगाने विस्तारते आणि लक्षणीयरीत्या थंड होते.
    5. हवेचा काही भाग या टप्प्यावर द्रवीभूत होतो. द्रवीभूत न झालेला वायू येणाऱ्या संकुचित हवेला थंड करण्यासाठी उष्णता एक्सचेंजरमधून परत पाठवला जातो आणि नंतर कंप्रेसरमधून पुनर्चक्रित केला जातो.
    6. द्रवीकृत हवा द्रवीकरण स्तंभाच्या तळाशी जमा होते.

3. द्रवीकृत हवेचे अपूर्णांक ऊर्ध्वपातन (घटकांचे विलगीकरण)

द्रवीकृत हवा, जी द्रवीकृत नायट्रोजन (उत्कलनांक -196 °C), द्रवीकृत ऑक्सिजन (उत्कलनांक -183 °C), आणि द्रवीकृत आर्गॉन (उत्कलनांक -186 °C) यांचे मिश्रण आहे, नंतर अपूर्णांक ऊर्ध्वपातन केली जाते.

• तत्त्व: विलगीकरण घटकांच्या उत्कलनांकांमधील फरकावर आधारित आहे. सर्वात कमी उत्कलनांक असलेला नायट्रोजन प्रथम बाष्पीभवन करतो.
• ऊर्ध्वपातन स्तंभ: एक उंच अपूर्णांक स्तंभ वापरला जातो, जो सामान्यतः कमी तापमानात कार्य करतो.
  • प्रक्रिया प्रवाहाचे वर्णन:
    1. अपूर्णांक स्तंभाच्या मध्यभागी द्रवीकृत हवा सोडली जाते.
    2. द्रव खाली उतरताना, ते वर चढणाऱ्या वाफांनी गरम होते.
    3. नायट्रोजन, अधिक अस्थिर असल्यामुळे, प्राधान्याने बाष्पीभवन करतो आणि स्तंभाच्या शीर्षस्थानी चढतो.
    4. उच्च उत्कलनांक असलेला ऑक्सिजन स्तंभाच्या तळाशी द्रव म्हणून केंद्रित होतो. आर्गॉन, ज्याचा उत्कलनांक मध्यवर्ती आहे, तो नायट्रोजन आणि ऑक्सिजन यांच्यामधील विभागात केंद्रित होतो.
    5. शुद्ध वायुरूप नायट्रोजन (N₂) स्तंभाच्या शीर्षस्थानी गोळा केला जातो.
    6. वायुरूप ऑक्सिजन (O₂) तळापासून गोळा केला जातो.
    7. गरज असल्यास पुढील शुद्धीकरणासाठी आर्गॉन मध्यवर्ती विभागातून गोळा केला जाऊ शकतो.

शुद्धीकरण आणि शुद्धीकरण

अपूर्णांक स्तंभाच्या शीर्षस्थानी मिळालेला नायट्रोजन आधीच खूप शुद्ध असतो (सामान्यतः >99.5%). आणखी उच्च शुद्धतेच्या गरजांसाठी, पुढील पावले वापरली जाऊ शकतात:

• पुढील अपूर्णांक ऊर्ध्वपातन: नायट्रोजन वायू किंवा द्रवाचे पुनरुर्ध्वपातन करून ट्रेस ऑक्सिजन किंवा आर्गॉन काढून शुद्धता वाढवता येते.
• उत्प्रेरकीय डीऑक्सिजनेशन: अति-उच्च शुद्ध नायट्रोजनसाठी (उदा. 99.999%), ट्रेस ऑक्सिजनला उत्प्रेरकावरून (उदा. पॅलेडियम) हायड्रोजनच्या कमी प्रमाणात उपस्थितीत नायट्रोजन पास करून काढता येते, ज्यामुळे पाणी तयार होते: 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g). नंतर पाणी अधिशोषण करून काढले जाते.
• अधिशोषण: उर्वरित ट्रेस अशुद्धी काढण्यासाठी मॉलिक्युलर सिव्ह्स किंवा ॲक्टिव्हेटेड कार्बन वापरणे.

शुद्ध केलेला नायट्रोजन नंतर संकुचित केला जातो आणि सिलिंडर्समध्ये साठवला जातो किंवा इन्सुलेटेड क्रायोजेनिक टाक्यांमध्ये द्रवरूप नायट्रोजन म्हणून वाहतूक केला जातो.