ऑक्सिजनचे (O) औद्योगिक उत्पादन

ऑक्सिजन (O) हे एक अधातू मूलद्रव्य आहे आणि प्रमाण तापमान व दाबावर (standard temperature and pressure) ते वायुरूप घटक असते. याच्या औद्योगिक उत्पादनामध्ये धातूंच्या खनिजांमधून (ores) धातू काढण्यासारख्या धातूशास्त्र प्रक्रियांचा (metallurgical processes) समावेश नसतो. त्याऐवजी, ते हवा आणि पाणी यांसारख्या सहज उपलब्ध स्त्रोतांपासून तयार केले जाते.

नैसर्गिक उपलब्धता (Natural Occurrence)

ऑक्सिजन हे पृथ्वीच्या कवचात वस्तुमानानुसार (by mass) सर्वात जास्त प्रमाणात आढळणारे मूलद्रव्य आहे, जे संयुगे तयार करते, आणि वातावरणातील आकारमानानुसार (by volume) दुसऱ्या क्रमांकाचा सर्वात जास्त प्रमाणात असलेला वायू आहे.

• वातावरण: आकारमानानुसार सुमारे 21% डायटोमिक ऑक्सिजन (O₂) म्हणून.
• जलावरण (Hydrosphere): पाण्याचा (H₂O) एक प्रमुख घटक.
• शिलावरण (Lithosphere): अनेक ऑक्साईड खनिजांमध्ये (उदा. सिलिकेट्स, कार्बोनेट्स, लोह ऑक्साईड्स) उपस्थित. तथापि, धातूशास्त्र दृष्ट्या ऑक्सिजन निष्कर्षण (oxygen extraction) करण्यासाठी यांना “कच्चे धातू” (ores) मानले जात नाही.

औद्योगिक उत्पादन पद्धती (Industrial Production Methods)

ऑक्सिजन मिळवण्याच्या प्रमुख औद्योगिक पद्धती खालीलप्रमाणे आहेत:

1. द्रव हवेचे आंशिक ऊर्ध्वपातन (Fractional Distillation of Liquid Air) (क्रायोजेनिक वायू विलगीकरण - Cryogenic Air Separation)

उच्च-शुद्ध ऑक्सिजन, नायट्रोजन आणि आर्गॉनच्या मोठ्या प्रमाणावर उत्पादनासाठी ही सर्वात सामान्य आणि किफायतशीर पद्धत आहे.

प्रक्रिया टप्पे:

1. हवेवर पूर्व-प्रक्रिया (Air Pre-treatment):

   • वातावरणातील हवा आत घेतली जाते आणि धूळ कण काढून टाकण्यासाठी गाळली जाते.
   • नंतर ती उच्च दाबावर (सामान्यतः 5-10 MPa) संकुचित केली जाते.
   • संकुचित हवा नंतर कार्बन डायऑक्साइड (CO₂) आणि पाण्याची वाफ (H₂O) काढून टाकण्यासाठी मॉलिक्युलर सीव्ह्ज (molecular sieves) किंवा ॲक्टिवेटेड ॲल्युमिना (activated alumina) असलेल्या ॲडसॉर्बरमधून (adsorbers) पाठवली जाते. हे अशुद्ध घटक क्रायोजेनिक तापमानावर गोठून उपकरणे ब्लॉक करतील.

2. हवेचे द्रवीकरण (Air Liquefaction):

   • शुद्ध केलेली, संकुचित हवा नंतर उष्णता विनिमयकांमधून (heat exchangers) पाठवून लक्षणीयरीत्या थंड केली जाते, यासाठी अनेकदा ऊर्ध्वपातन प्रक्रियेतील थंड उत्पादने (नायट्रोजन आणि ऑक्सिजन) वापरली जातात.
   • पुढील शीतलीकरण आणि प्रसरण (उदा. जूल-थॉमसन एक्सपँडर (Joule-Thomson expander) किंवा विस्तार टर्बाइनद्वारे (expansion turbine)) हवेचे द्रवीकरण करते. द्रव हवा प्रामुख्याने द्रव नायट्रोजन (उत्कलनांक -196 °C) आणि द्रव ऑक्सिजन (उत्कलनांक -183 °C) यांचे मिश्रण आहे.

3. आंशिक ऊर्ध्वपातन (Fractional Distillation):

   • द्रव हवा आंशिक ऊर्ध्वपातन स्तंभात (fractional distillation column) दिली जाते, जी सामान्यतः दुहेरी स्तंभ प्रणाली (उच्च-दाब आणि कमी-दाब स्तंभ) असते.
   • उच्च-दाब स्तंभ: द्रव हवा या स्तंभात प्रवेश करते. कमी उत्कलनांक (-196 °C) असलेला नायट्रोजन अधिक सहजपणे बाष्पीभवन होतो आणि वर चढतो, तर जास्त उत्कलनांक (-183 °C) असलेला ऑक्सिजन द्रव अवस्थेत राहतो आणि तळाशी जमा होतो. मध्यभागी आर्गॉन-समृद्ध (argon-rich) भाग काढला जाऊ शकतो.
   • कमी-दाब स्तंभ: उच्च-दाब स्तंभातून आलेले अंशतः वेगळे केलेले प्रवाह कमी-दाब स्तंभात आणखी वेगळे केले जातात. द्रव ऑक्सिजन (सामान्यतः 99.5% शुद्ध) तळाशी जमा होतो, तर वायुरूप नायट्रोजन (99.99% शुद्ध) वरून बाहेर पडतो. आवश्यक असल्यास, पुढील शुद्धीकरणानंतर कमी-दाब स्तंभाच्या वरच्या भागातून वायुरूप ऑक्सिजन देखील काढला जाऊ शकतो.

शुद्धता आणि उपयोग:

• या पद्धतीने उत्पादित ऑक्सिजन 99.5% पेक्षा जास्त शुद्धता पातळी गाठू शकतो.
• स्टील उत्पादन, रासायनिक संश्लेषण, वैद्यकीय अनुप्रयोग, वेल्डिंग आणि रॉकेट्रीमध्ये वापरले जाते.

2. पाण्याचे विद्युत अपघटन (Electrolysis of Water)

ही पद्धत लहान-प्रमाणावर उत्पादन करण्यासाठी किंवा जिथे उच्च शुद्धता आवश्यक आहे आणि वीज भरपूर व स्वस्त आहे अशा ठिकाणी योग्य आहे.

तत्त्व:

पाण्यातून (H₂O) विद्युत प्रवाह (electric current) प्रवाहित केल्याने त्याचे हायड्रोजन वायू (H₂) आणि ऑक्सिजन वायू (O₂) मध्ये विघटन होते.

$2H_2O(l) \xrightarrow\{\text\{Electrical energy\}\} 2H_2(g) + O_2(g)$

प्रक्रिया मांडणी (Setup):

• विद्युत अपघटनी सेलमध्ये (electrolytic cell) सामान्यतः दोन निष्क्रिय इलेक्ट्रोड्स (inert electrodes) (उदा. प्लॅटिनम, निकेल किंवा स्टेनलेस स्टील) असतात, जे जलीय इलेक्ट्रोलाइटमध्ये (aqueous electrolyte) बुडवलेले असतात.
• पाण्याची विद्युत चालकता (electrical conductivity) वाढवण्यासाठी इलेक्ट्रोलाइट (electrolyte) अनेकदा आम्लाचे (उदा. सल्फ्यूरिक आम्ल) किंवा क्षाराचे (उदा. पोटॅशियम हायड्रॉक्साईड) द्रावण असते.

इलेक्ट्रोड अभिक्रिया (Electrode Reactions):

• ॲनोडवर (धन इलेक्ट्रोड): ऑक्सिडीकरण (Oxidation) होते आणि ऑक्सिजन वायू तयार होतो. $2H_2O(l) \longrightarrow O_2(g) + 4H^+(aq) + 4e^-$ (आम्लीय माध्यमात) किंवा $4OH^-(aq) \longrightarrow O_2(g) + 2H_2O(l) + 4e^-$ (क्षारीय माध्यमात)

• कॅथोडवर (ऋण इलेक्ट्रोड): क्षपण (Reduction) होते आणि हायड्रोजन वायू तयार होतो. $4H^+(aq) + 4e^- \longrightarrow 2H_2(g)$ (आम्लीय माध्यमात) किंवा $4H_2O(l) + 4e^- \longrightarrow 2H_2(g) + 4OH^-(aq)$ (क्षारीय माध्यमात)

शुद्धता आणि उपयोग:

• विद्युत अपघटनाने उत्पादित ऑक्सिजन सामान्यतः खूप शुद्ध (99.999% पर्यंत) असतो, ज्यामुळे तो उच्च शुद्धता अत्यंत महत्त्वाची असलेल्या विशेष अनुप्रयोगांसाठी योग्य ठरतो.
• वैद्यकीय आणि औषधनिर्माण उद्योगात, प्रयोगशाळांमध्ये आणि इंधन पेशींमध्ये (fuel cells) एक घटक म्हणून वापरला जातो.

साठवणूक आणि वाहतूक (Storage and Transportation)

औद्योगिक ऑक्सिजन विविध स्वरूपात साठवला आणि वाहतूक केला जातो:

• संकुचित वायू (Compressed Gas): उच्च-दाबाच्या स्टील सिलेंडरमध्ये (वायुरूप ऑक्सिजनसाठी, O₂) 200 बार (bar) पर्यंतच्या दाबावर.
• द्रव ऑक्सिजन (LOX - Liquid Oxygen): मोठ्या प्रमाणावर साठवणूक आणि वाहतुकीसाठी इन्सुलेटेड क्रायोजेनिक टाक्यांमध्ये (dewars), कारण द्रव ऑक्सिजन वायुरूप ऑक्सिजनपेक्षा लक्षणीयरीत्या कमी जागा घेतो.
• जागेवरच उत्पादन (On-site Generation): खूप मोठ्या ग्राहकांसाठी, ऑक्सिजन उत्पादन संयंत्रे (क्रायोजेनिक किंवा PSA/VPSA) अनेकदा थेट वापरकर्त्याच्या सुविधेतच (facility) बांधली जातात.