सल्फर (S) चे धातुशास्त्र आणि औद्योगिक निष्कर्षण

नैसर्गिक उपस्थिती आणि प्रमुख धातूके

सल्फर निसर्गात मुक्त (मूलभूत) आणि संयुग अशा दोन्ही अवस्थांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर आढळते.

मुक्त (मूलभूत) अवस्था

• सल्फरचे साठे प्रामुख्याने ज्वालामुखीच्या प्रदेशात, सॉल्ट डोम्समध्ये (उदा. यूएसएच्या गल्फ कोस्ट, मेक्सिको) आणि गाळाच्या खडकांमध्ये (sedimentary rocks) आढळतात. या साठ्यांमध्ये स्फटिकासारखे सल्फर असते.

संयुग अवस्था

सल्फर अनेक संयुगांचा एक घटक आहे, ज्यात खालील गोष्टींचा समावेश आहे:

• सल्फाइड धातूके:
  • गॅलेना (लेड सल्फाइड, PbS)
  • झिंक ब्लेंडे (झिंक सल्फाइड, ZnS)
  • आयर्न पायराइट्स (आयर्न(II) डायसल्फाइड, FeS₂)
  • कॉपर पायराइट्स (कॉपर आयर्न सल्फाइड, CuFeS₂)
  • सिनाबार (मर्क्युरी सल्फाइड, HgS)
  • अर्जेंटाइट (सिल्व्हर सल्फाइड, Ag₂S)
• सल्फेट धातूके:
  • जिप्सम (कॅल्शियम सल्फेट डायहायड्रेट, CaSO₄·2H₂O)
  • एप्सम सॉल्ट (मॅग्नेशियम सल्फेट हेप्टाहायड्रेट, MgSO₄·7H₂O)
  • बॅराइट्स (बॅरियम सल्फेट, BaSO₄)
• कार्बनी संयुगे:
  • कोळसा, पेट्रोलियम आणि नैसर्गिक वायूमध्ये आढळते, अनेकदा हायड्रोजन सल्फाइड (H₂S) किंवा कार्बनी सल्फर संयुगांच्या स्वरूपात.

धातूकाचे सांद्रण

मूलभूत सल्फरच्या साठ्यांसाठी, पारंपरिक धातूक सांद्रण तंत्रज्ञान जसे की फ्रॉथ फ्लोटेशन (froth flotation) किंवा गुरुत्वाकर्षण विलगीकरण (gravity separation) सामान्यतः वापरले जात नाहीत. प्राथमिक औद्योगिक निष्कर्षण पद्धत, फ्रॅश प्रक्रिया (Frasch Process), मूलभूत सल्फरला वितळलेल्या अवस्थेत थेट निष्कर्षित करते, ज्यामुळे ते आजूबाजूच्या गँगपासून प्रभावीपणे वेगळे होते.

संयुग अवस्थेतून मिळवलेल्या सल्फरसाठी:

• हायड्रोजन सल्फाइड (H₂S) पासून: नैसर्गिक वायू किंवा पेट्रोलियममध्ये अनेकदा आढळणारे H₂S इतर वायूंमधून अमाइन (उदा. मोनोइथेनॉलमाइन) वापरून निवडकपणे शोषले जाते. त्यानंतर H₂S ला गरम करून सोडले जाते आणि पुढील प्रक्रियेसाठी (क्लाउस प्रक्रिया) पाठवले जाते. हे रासायनिक सांद्रणाचे एक स्वरूप आहे.
• सल्फाइड धातूकांपासून: जेव्हा झिंक (zinc) किंवा लेड (lead) सारखे धातू त्यांच्या सल्फाइड धातूकांमधून (उदा. ZnS, PbS) काढले जातात, तेव्हा धातूके सामान्यतः भाजली जातात (roasted) ज्यामुळे धातूचे ऑक्साईड आणि सल्फर डायऑक्साइड (SO₂) तयार होते. हे SO₂ नंतर सल्फ्यूरिक आम्लामध्ये रूपांतरित केले जाऊ शकते किंवा काही प्रकरणांमध्ये मूलभूत सल्फरमध्ये कमी केले जाते. येथे, सल्फर एक मौल्यवान उप-उत्पादन आहे आणि त्याचे “सांद्रण” म्हणजे फ्लू गॅसेसमधून SO₂ वेगळे करणे होय.

कच्च्या धातूत रूपांतर (मूलभूत सल्फरचे निष्कर्षण)

मूलभूत सल्फर मिळवण्यासाठी दोन मुख्य औद्योगिक पद्धती फ्रॅश प्रक्रिया (मूलभूत सल्फर साठ्यांसाठी) आणि क्लाउस प्रक्रिया (H₂S मधून सल्फर पुनर्प्राप्तीसाठी) आहेत.

1. फ्रॅश प्रक्रिया

ही प्रक्रिया भूमिगत साठ्यांमधून मूलभूत सल्फर काढण्यासाठी वापरली जाते जिथे ते सामान्यतः अभेद्य थरांनी (impermeable layers) वेढलेल्या सच्छिद्र खडकांच्या निर्मितीमध्ये आढळते.

तत्त्व: सल्फरचा द्रवणांक (melting point) तुलनेने कमी असतो (सुमारे 115°C). साठ्यात अति-उष्ण पाणी (superheated water) इंजेक्शनद्वारे सोडले जाते ज्यामुळे सल्फर वितळते आणि नंतर संकुचित हवेच्या साहाय्याने ते पृष्ठभागावर आणले जाते.

प्रक्रियेची पावले (आकृती वर्णन): फ्रॅश प्रक्रियेत सल्फरच्या साठ्यात ड्रिल केलेल्या तीन एकाग्र पाईप्सची प्रणाली वापरली जाते:

1. सर्वात बाहेरील पाईप: या पाईपमधून अति-उष्ण पाणी (सुमारे 170°C आणि 10 atm दाब) खाली सोडले जाते. गरम पाणी आजूबाजूच्या सल्फरला वितळवते.
2. सर्वात आतील पाईप: या पाईपमधून संकुचित हवा (सुमारे 15-20 atm दाब) खाली सोडली जाते.
3. मध्यम पाईप: वितळलेले सल्फर, पाण्यापेक्षा जास्त घन असल्यामुळे, विहिरीच्या तळाशी जाते. सर्वात आतील पाईपमध्ये इंजेक्शनद्वारे सोडलेली संकुचित हवा एक एअर-लिफ्ट पंप तयार करते, ज्यामुळे वितळलेले सल्फर, पाणी आणि हवेचे मिश्रण मध्यम पाईपमधून पृष्ठभागावर ढकलले जाते.

पृष्ठभागावर, वितळलेले सल्फर मोठ्या टाक्यांमध्ये (vats) गोळा केले जाते किंवा खुल्या खड्ड्यांमध्ये थंड होऊ दिले जाते, जिथे ते मोठ्या ठोकळ्यांमध्ये घनरूप होते. या पद्धतीद्वारे मिळवलेले सल्फर सामान्यतः 99.5% शुद्ध असते.

2. क्लाउस प्रक्रिया

नैसर्गिक वायू, रिफायनरी वायू आणि कोळसा वायूकरणामधून उप-उत्पादन म्हणून मिळणाऱ्या हायड्रोजन सल्फाइड (H₂S) मधून मूलभूत सल्फर मिळवण्यासाठी ही प्रक्रिया महत्त्वपूर्ण आहे. H₂S विषारी आणि संक्षारक असल्यामुळे ही एक महत्त्वाची पर्यावरणीय प्रक्रिया आहे.

एकूण अभिक्रिया: 2H₂S(g) + SO₂(g) → 3S(l) + 2H₂O(g)

प्रक्रियेची पावले:

1. थर्मल ऑक्सिडेशन (फर्नेस विभाग): येणार्या H₂S प्रवाहाचा अंदाजे एक तृतीयांश भाग उच्च तापमानावर (950-1200°C) हवेसह पूर्णपणे ज्वलन करून सल्फर डायऑक्साइड (SO₂) तयार करतो: 2H₂S(g) + 3O₂(g) → 2SO₂(g) + 2H₂O(g) त्याच वेळी, अप्रतिक्रियाशील H₂S आणि नव्याने तयार झालेले SO₂ अंशतः प्रतिक्रिया करून मूलभूत सल्फर तयार करतात: 2H₂S(g) + SO₂(g) ⇌ 3S(l) + 2H₂O(g) तयार झालेले वितळलेले सल्फर घनरूप होऊन वेगळे केले जाते.
2. उत्प्रेरक रूपांतरण (रिएक्टर विभाग): H₂S आणि SO₂ असलेले उर्वरित वायूचे मिश्रण कमी तापमानावर (200-350°C) उत्प्रेरक कनवर्टरमधून (सामान्यतः बॉक्साइट किंवा सक्रियित ॲल्युमिना उत्प्रेरकांनी भरलेले) पाठवले जाते. सल्फर तयार करण्यासाठी H₂S आणि SO₂ मधील प्रतिक्रिया आणखी वाढविली जाते: 2H₂S(g) + SO₂(g) ⇌ 3S(g) + 2H₂O(g) सल्फर पुनर्प्राप्ती जास्तीत जास्त करण्यासाठी अनेक उत्प्रेरक अवस्था, आंतर-अवस्था शीतलीकरण आणि सल्फर संघनन वापरले जातात. सल्फर वाफ वितळलेल्या द्रव अवस्थेत घनीभूत होते.

क्लाउस प्रक्रियेत सामान्यतः 95-99% सल्फर पुनर्प्राप्तीची कार्यक्षमता (efficiency) साध्य होते.

शुद्धीकरण आणि परिष्करण

फ्रॅश प्रक्रियेतून मिळवलेले सल्फर सामान्यतः खूप शुद्ध (सुमारे 99.5%) असते आणि पुढील मोठ्या शुद्धीकरणाशिवाय बहुतेक औद्योगिक उपयोगांसाठी योग्य असते. क्लाउस प्रक्रियेतून मिळवलेले सल्फर देखील सामान्यतः उच्च शुद्धतेचे असते. तथापि, अधिक शुद्धता आवश्यक असलेल्या विशिष्ट उपयोगांसाठी, किंवा अशुद्धींचे ट्रेस काढण्यासाठी, पुढील परिष्करण पावले वापरली जाऊ शकतात.

1. ऊर्ध्वपातन (Distillation):
   • कच्चे सल्फर गरम करून त्याचे बाष्पीभवन केले जाते (उत्कलन बिंदू ~445°C).
   • सल्फर वाफ नंतर थंड करून आणि घनीभूत करून अत्यंत शुद्ध सल्फर मिळवले जाते. ही प्रक्रिया सल्फरला गैर-बाष्पशील अशुद्धींपासून वेगळे करते.
   • सल्फर वाफेचे वेगाने थंडीकरण केल्यास “फ्लॉवर्स ऑफ सल्फर” (sublimed sulfur) म्हणून ओळखले जाणारे बारीक पावडर सल्फर तयार होते.
2. धुणे (Washing):
   • वितळलेले सल्फर कार्बनी अशुद्धी काढण्यासाठी सौम्य सल्फ्यूरिक आम्लाने धुतले जाऊ शकते आणि नंतर आम्लाचे कोणतेही अंश काढण्यासाठी पाण्याने धुतले जाते.
3. गाळणे (Filtration):
   • विलंबित घन अशुद्धी (suspended solid impurities) काढण्यासाठी वितळलेले सल्फर योग्य माध्यमांतून गाळले जाऊ शकते.