फॉस्फरस (P) चे धातूशास्त्र आणि औद्योगिक निष्कर्षण

1. नैसर्गिक आढळ आणि प्रमुख धातुके

फॉस्फरस अत्यंत अभिक्रियाशील आहे आणि निसर्गात त्याच्या मूळ स्वरूपात आढळत नाही. हे पृथ्वीच्या कवचात (Earth’s crust) मुख्यतः फॉस्फेट खनिजांच्या स्वरूपात, संयुक्त अवस्थेत मोठ्या प्रमाणात वितरीत झालेले आहे.

1.1 प्रमुख धातुके

• फॉस्फोराईट (रॉक फॉस्फेट): हे सर्वात महत्त्वाचे धातुक आहे, जे प्रामुख्याने ट्राय कॅल्शियम फॉस्फेटने बनलेले असते.
  • रासायनिक सूत्र: Ca₃(PO₄)₂
• अपेटाईट कुटुंब: फॉस्फेट खनिजांचा एक गट ज्याचे सामान्य सूत्र Ca₅(PO₄)₃X आहे, जिथे X हे F, Cl किंवा OH असू शकते.
  • फ्लुओरअपेटाईट: Ca₅(PO₄)₃F (सर्वात सामान्य)
  • क्लोरअपेटाईट: Ca₅(PO₄)₃Cl
  • हायड्रॉक्सिअपेटाईट: Ca₅(PO₄)₃OH (हाडे आणि दातांचा एक प्रमुख घटक)

2. धातुकाचे सांद्रण

उत्खनन केलेल्या फॉस्फेट खडकामध्ये अनेकदा सिलिका, चिकणमाती आणि कार्बोनेटसारख्या अवांछित अशुद्धी (गॅंग) असतात. फॉस्फेटचे प्रमाण वाढवण्यासाठी या अशुद्धी काढून टाकल्या जातात, ज्यामुळे धातुक निष्कर्षणसाठी योग्य बनते.

2.1 सांद्रणाच्या पद्धती

• धुणे आणि भरडणे: यात सुरुवातीला धातुकाचे मोठे तुकडे फोडले जातात आणि सैल मातीसारख्या अशुद्धी धुवून काढल्या जातात. यामुळे पुढील प्रक्रियेसाठी कणांचा आकारही कमी होतो.
• फेन प्लवन (Froth Flotation): कमी प्रतीच्या फॉस्फेट धातुकांचे उन्नयन (upgrading) करण्यासाठी ही एक सामान्य पद्धत आहे.
  • बारीक दळलेले धातुक पाण्यासोबत मिसळून लगदा (slurry) तयार केला जातो.
  • संग्राहक (उदा. ओलेइक ॲसिड किंवा इंधन तेल यांसारखे फॅटी ॲसिड) मिसळले जातात.
  • फेन (froth) स्थिर ठेवण्यासाठी फेनकारक (उदा. पाइन तेल, क्रेसोल्स) टाकले जातात.
  • लगद्यातून हवा फुंकली जाते; फॉस्फेट कण हवेच्या बुडबुड्यांना चिकटून फेनाच्या स्वरूपात पृष्ठभागावर येतात, जे नंतर काढून घेतले जातात. गॅंग (उदा. सिलिकेट्स) खाली बसते.
• गुरुत्वीय विलगीकरण (Gravity Separation): बारीक कणांच्या आकारामुळे आणि काही गॅंगच्या समान घनतेमुळे फॉस्फेट धातुकांसाठी याचा वापर कमी केला जातो, परंतु ज्या विशिष्ट प्रकारच्या धातुकांमध्ये घनतेतील फरक पुरेसा असतो तेथे याचा वापर केला जाऊ शकतो.

3. कच्च्या फॉस्फरसमध्ये (Industrial Extraction) रूपांतरण

मूलद्रव्य फॉस्फरस (विशेषतः, पांढरा फॉस्फरस, P₄) सांद्रित फॉस्फेट खडकातून इलेक्ट्रिक फर्नेस प्रक्रियेचा वापर करून व्यावसायिकरित्या निष्कर्षित केला जातो. या पद्धतीमध्ये सिलिकाच्या उपस्थितीत कोकद्वारे कॅल्शियम फॉस्फेटचे क्षपण (reduction) केले जाते.

3.1 इलेक्ट्रिक फर्नेस प्रक्रिया

• तत्त्व: या प्रक्रियेमध्ये सांद्रित फॉस्फेट खडक, सिलिका (वाळू) आणि कोक (कार्बन) यांच्या मिश्रणाला इलेक्ट्रिक फर्नेसमध्ये खूप उच्च तापमानापर्यंत गरम केले जाते.
• अभिक्रियाकारके:
  • सांद्रित फॉस्फोराईट: Ca₃(PO₄)₂
  • सिलिका: SiO₂ (आम्लधर्मीय फ्लक्स म्हणून कार्य करते)
  • कोक: C (क्षपणकारक म्हणून कार्य करते)
• प्रक्रियेची पाऊले:
  1. या कच्च्या मालाचे काळजीपूर्वक प्रमाणात घेतलेले मिश्रण ग्राफाइट इलेक्ट्रोड्स असलेल्या एका मोठ्या, बंद इलेक्ट्रिक फर्नेसमध्ये सतत भरले जाते.
  2. इलेक्ट्रोड्समधील इलेक्ट्रिक आर्कमुळे तीव्र उष्णता निर्माण होते, जी 1400-1500 °C तापमानापर्यंत पोहोचते.
  3. या उच्च तापमानावर, सिलिका कॅल्शियम फॉस्फेटसोबत अभिक्रिया करून कॅल्शियम सिलिकेट स्लॅग आणि फॉस्फरस पेंटॉक्साईड तयार करते (जे नंतर कोकद्वारे क्षपित होते). एकूण अभिक्रिया अशी आहे:

     2Ca₃(PO₄)₂(s) + 6SiO₂(s) + 10C(s) → 6CaSiO₃(l) + P₄(g) + 10CO(g)
     

     • SiO₂ ची भूमिका: हे कॅल्शियम फॉस्फेटच्या आम्लारीधर्मीय (basic) कॅल्शियम ऑक्साईड भागाशी संयोग करून सहज वितळणारा कॅल्शियम सिलिकेट स्लॅग (CaSiO₃) तयार करते, जो फॉस्फरस ऑक्साईडपेक्षा कमी अस्थिर (volatile) असतो, त्यामुळे फॉस्फरस मुक्त होण्यास मदत होते.
     • C ची भूमिका: कोक एक शक्तिशाली क्षपणकारक म्हणून कार्य करते, तयार झालेल्या फॉस्फरस ऑक्साईड्सचे (किंवा थेट फॉस्फेटचे) मूलद्रव्य फॉस्फरसमध्ये क्षपण करते.
• उत्पादने:
  • फॉस्फरस बाष्प (P₄): हे इच्छित उत्पादन आहे, जे फर्नेसच्या तापमानावर वायूच्या स्वरूपात असते.
  • कार्बन मोनोक्साईड (CO) वायू: एक उप-उत्पादन, जे अनेकदा गोळा करून इंधन म्हणून वापरले जाते.
  • वितळलेले कॅल्शियम सिलिकेट (CaSiO₃) स्लॅग: एक उप-उत्पादन, जे अभिक्रिया वायूंपेक्षा जास्त घन आणि अमिश्रणीय (immiscible) असते, आणि फर्नेसच्या खालच्या भागातून बाहेर काढले जाते.
• फॉस्फरसचे संग्रहण:
  • P₄ बाष्प आणि CO वायूचे गरम मिश्रण फर्नेसच्या वरच्या भागातून बाहेर काढले जाते.
  • हे वायू मिश्रण नंतर जल-थंड केलेल्या कंडेनसरमधून (condensers) किंवा स्प्रे टॉवर्समधून (spray towers) पाठवून वेगाने थंड केले जाते.
  • फॉस्फरस बाष्प द्रवरूप पांढऱ्या फॉस्फरस (P₄) मध्ये संघनित (condenses) होते, जे हवेत सहज पेट घेण्यापासून रोखण्यासाठी पाण्याखाली गोळा केले जाते.

4. शुद्धीकरण आणि शुद्धता

इलेक्ट्रिक फर्नेस प्रक्रियेतून मिळणारा पांढरा फॉस्फरस अनेक औद्योगिक उपयोगांसाठी सामान्यतः पुरेसा शुद्ध असतो. तथापि, जर उच्च शुद्धतेची आवश्यकता असेल तर पुढील शुद्धीकरण प्रक्रिया केल्या जाऊ शकतात.

4.1 शुद्धीकरणाच्या पद्धती

• ऊर्ध्वपातन (Distillation): पांढऱ्या फॉस्फरसचे शुद्धीकरण करण्याची ही सर्वात सामान्य पद्धत आहे. पांढऱ्या फॉस्फरसचा उत्कलनांक (boiling point) तुलनेने कमी असतो (280.5 °C). कच्च्या पांढऱ्या फॉस्फरसला गरम करून त्याचे बाष्पीभवन (vaporize) केले जाते आणि नंतर पुन्हा संघनित (re-condensed) केले जाते, ज्यामुळे ते अस्थिर (non-volatile) अशुद्धींपासून वेगळे होते.
• रासायनिक उपचार: आर्सेनिकसारख्या (अनेकदा आर्सेनियस ऑक्साईड, As₂O₃ च्या स्वरूपात उपस्थित) सूक्ष्म अशुद्धी काहीवेळा रासायनिक पद्धतींनी काढल्या जाऊ शकतात, जरी ऊर्ध्वपातन (distillation) सामान्यतः अधिक प्रभावी आहे. उदाहरणार्थ, काही ऑक्सिडीकरण कारक (oxidizing agents) आर्सेनिक संयुगांना कमी अस्थिर स्वरूपात रूपांतरित करू शकतात. तथापि, व्यावसायिक पांढऱ्या फॉस्फरससाठी, कच्च्या मालाच्या शुद्धतेवर काळजीपूर्वक नियंत्रण आणि कार्यक्षम ऊर्ध्वपातन सहसा पुरेसे असते।