குளோரின் (Cl) உலோகவியல் மற்றும் தொழில்துறை பிரித்தெடுத்தல்

இயற்கையான இருப்பு மற்றும் முக்கிய மூலங்கள்

குளோரின் ஒரு அதிக வினைத்திறன் கொண்ட ஹாலஜன் ஆகும், மேலும் இது இயற்கையில் தனிம வடிவில் காணப்படுவதில்லை. இது குளோரைடு அயனிகளாக (Cl⁻) மட்டுமே பல்வேறு அயனி சேர்மங்களில் காணப்படுகிறது.

1. கடல் நீர்: மிகவும் பரவலான ஆதாரம், சுமார் 2.7% (w/v) சோடியம் குளோரைடு (NaCl) மற்றும் சிறிய அளவிலான மற்ற உலோக குளோரைடுகளை (எ.கா., MgCl₂, CaCl₂) கொண்டுள்ளது.
2. கார்புளி நீர்க் கிணறுகள் (Brine Wells): செறிவூட்டப்பட்ட உப்பு கரைசல்களின் நிலத்தடி படிவுகள்.
3. பாறை உப்பு (Halite): சோடியம் குளோரைடு (NaCl) திடப் படிவுகள்.
4. கர்னலைட் (Carnallite): ஒரு இரட்டை உப்பு, KCl·MgCl₂·6H₂O.
5. சில்வைட் (Sylvite): பொட்டாசியம் குளோரைடு (KCl).

தனிம குளோரினை தொழில்துறை பிரித்தெடுக்க, சோடியம் குளோரைடு அதன் ஏராளமான இருப்பு மற்றும் மின்னாற்பகுப்பு எளிமை காரணமாக முதன்மை மூலப்பொருளாகும்.

மூலப்பொருளின் செறிவூட்டல்

உலோகத் தாதுக்களுக்குத் தேவையான இயற்பியல் செறிவூட்டல் முறைகளைப் போலன்றி, குளோரைடு ஆதாரங்களின் “செறிவூட்டல்” முக்கியமாக மின்னாற்பகுப்புக்கு ஏற்ற சுத்தமான, செறிவூட்டப்பட்ட கார்புளி நீர் கரைசலை (brine solution) பெறுவதாகும்.

1. கடல் நீர்/கார்புளி நீர்க் கிணறுகளில் இருந்து:

   • சூரிய ஆவியாக்கம்: கடல் நீர் அல்லது நீர்த்துப்போன கார்புளி நீர் பெரிய ஆழமற்ற குளங்களில் ஆவியாக அனுமதிக்கப்பட்டு, கச்சா சோடியம் குளோரைடு படிகமாக்கலுக்கு வழிவகுக்கிறது.
   • கார்புளி நீர் சுத்திகரிப்பு: கச்சா உப்பு பின்னர் நீரில் கரைக்கப்படுகிறது அல்லது கிணறுகளில் இருந்து நேரடி கார்புளி நீர் சுத்திகரிக்கப்படுகிறது. Ca²⁺, Mg²⁺, மற்றும் Fe³⁺ அயனிகள் போன்ற அசுத்தங்களை நீக்குவதற்கு இந்த படிநிலை முக்கியமானது. இந்த அயனிகள் மின்னாற்பகுப்பு செயல்முறையில் குறுக்கிடலாம் (எ.கா., ஹைட்ராக்சைடுகளாகப் படிவதால், சவ்வுகளை அசுத்தப்படுத்துதல் அல்லது தேவையற்ற துணைப் பொருட்களை உருவாக்குதல்).
   • இரசாயன சிகிச்சை: அசுத்தங்கள் பொதுவாக சோடியம் கார்பனேட் (Na₂CO₃) சேர்ப்பதன் மூலம் கால்சியம் கார்பனேட் (CaCO₃) ஆகவும், சோடியம் ஹைட்ராக்சைடு (NaOH) சேர்ப்பதன் மூலம் மெக்னீசியம் ஹைட்ராக்சைடு (Mg(OH)₂) ஆகவும் வீழ்படிவாக்கப்பட்டு நீக்கப்படுகின்றன. இந்த வீழ்படிவுகளை நீக்க வடிகட்டுதல் பின்பற்றப்படுகிறது.

2. பாறை உப்பில் இருந்து:

   • பாறை உப்புப் படிவுகள் சுரங்கங்களில் இருந்து எடுக்கப்பட்டு, பின்னர் நீரில் கரைக்கப்பட்டு, ஒரு செறிவூட்டப்பட்ட கார்புளி நீர் கரைசலை உருவாக்குகின்றன, இது பின்னர் மேலே விவரிக்கப்பட்டபடி சுத்திகரிக்கப்படுகிறது.

தனிம குளோரினாக ஒடுக்கம் (தொழில்துறை பிரித்தெடுத்தல்)

தனிம குளோரின் தொழில்துறை ரீதியாக கிட்டத்தட்ட பிரத்தியேகமாக நீரிய சோடியம் குளோரைடு கரைசல் (கார்புளி நீர்) அல்லது உருக்கப்பட்ட சோடியம் குளோரைடு மின்னாற்பகுப்பு மூலம் உற்பத்தி செய்யப்படுகிறது. இந்த செயல்முறை பொதுவாக குளோரோ-அல்காலி செயல்முறை என்று அழைக்கப்படுகிறது, ஏனெனில் இது குளோரின் மற்றும் ஒரு காரத்தை (சோடியம் ஹைட்ராக்சைடு) துணை உற்பத்தி செய்கிறது.

மூன்று முக்கிய வகையான மின்னாற்பகுப்பு செல்கள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன:

1. டயாஃப்ரம் செல் (எ.கா., நெல்சன் செல், ஹூக்கர் செல்)

• கோட்பாடு: நீரிய NaCl கரைசலின் மின்னாற்பகுப்பு, ஒரு நுண்துளை டயாஃப்ரம் (வரலாற்று ரீதியாக கல்நார், இப்போது பெரும்பாலும் பாலிமர் அடிப்படையிலானது) பயன்படுத்தி அனோட் மற்றும் கேத்தோட் அறைகளை பிரித்து, தயாரிப்புகள் கலப்பதைத் தடுக்கிறது.
• அமைப்பு: அனோட் அறையில் கிராஃபைட் அல்லது பரிமாணத்தில் நிலையான அனோட்கள் (DSA, எ.கா., RuO₂/TiO₂ பூசப்பட்ட டைட்டானியம்) கார்புளி நீரில் மூழ்கியிருக்கும். கேத்தோடு ஒரு துளையிடப்பட்ட எஃகு தகடு. டயாஃப்ரம் இரண்டு அறைகளையும் பிரிக்கிறது.
• வினைகள்:
  • அனோடில் (ஆக்ஸிஜனேற்றம்): குளோரைடு அயனிகள் ஆக்ஸிஜனேற்றம் அடைகின்றன. 2Cl⁻(aq) \rightarrow Cl₂(g) + 2e⁻
  • கேத்தோடில் (ஒடுக்கம்): Na⁺ அயனிகளை விட நீர் ஒடுக்கப்படுகிறது (நீரிய கரைசலில் Na படிவதற்கு அதிக அதிகப்படியான மின்னழுத்தம் காரணமாக). 2H₂O(l) + 2e⁻ \rightarrow H₂(g) + 2OH⁻(aq)
  • ஒட்டுமொத்த வினை: 2NaCl(aq) + 2H₂O(l) \rightarrow Cl₂(g) + H₂(g) + 2NaOH(aq)
• தயாரிப்புகள்: குளோரின் வாயு (அனோடில்), ஹைட்ரஜன் வாயு (கேத்தோடில்), மற்றும் சோடியம் ஹைட்ராக்சைடின் நீர்த்துப்போன கரைசல் (வினைபுரியாத NaCl ஐக் கொண்டது). NaOH கரைசலுக்கு உப்பு நீக்கப்படுவதற்கு மேலும் செறிவூட்டல் மற்றும் சுத்திகரிப்பு தேவைப்படுகிறது.
• நன்மைகள்: பாதரச செல்களை விட குறைந்த ஆற்றல் தேவை; பாதரச மாசுபாடு தவிர்க்கப்படுகிறது.
• தீமைகள்: குறைந்த தூய மற்றும் நீர்த்துப்போன NaOH கரைசலை உற்பத்தி செய்கிறது, இதற்கு மேலும் செயலாக்கம் தேவை.

2. மெர்குரி செல் (காஸ்ட்னர்-கெல்னர் செல்)

• கோட்பாடு: நீரிய NaCl கரைசலின் மின்னாற்பகுப்பு, ஒரு ஓடும் பாதரச கேத்தோடைப் பயன்படுத்தி, இது சோடியத்துடன் ஒரு அமால்கத்தை உருவாக்குகிறது. இது NaOH உற்பத்தியை முக்கிய மின்னாற்பகுப்பு செல்லிலிருந்து பிரித்து, அதிக தூய்மையான தயாரிப்புகளை அனுமதிக்கிறது.
• அமைப்பு: அனோட்கள் (கிராஃபைட் அல்லது DSA) கார்புளி நீருக்கு மேலே, கேத்தோடாக செயல்படும் ஒரு ஓடும் பாதரச அடுக்கின் மேல் தொங்கவிடப்பட்டுள்ளன. செல் சற்றே சாய்ந்திருக்கும்.
• வினைகள்:
  • அனோடில் (ஆக்ஸிஜனேற்றம்): 2Cl⁻(aq) \rightarrow Cl₂(g) + 2e⁻
  • பாதரச கேத்தோடில் (ஒடுக்கம்): சோடியம் அயனிகள் ஒடுக்கப்பட்டு சோடியம் அமால்கத்தை உருவாக்க பாதரசத்தில் கரைகின்றன. Na⁺(aq) + e⁻ + Hg(l) \rightarrow Na-Hg(l) (சோடியம் அமால்கம்)
  • சிதைப்பான் (இரண்டாம் நிலை செல்): சோடியம் அமால்கம் ஒரு தனி சிதைப்பானுக்குள் பாய்கிறது, அங்கு அது கிராஃபைட் வினையூக்கியின் மீது தண்ணீருடன் வினைபுரிந்து அதிக தூய NaOH மற்றும் H₂ ஐ உற்பத்தி செய்கிறது. பாதரசம் மறுஉருவாக்கம் செய்யப்பட்டு மறுசுழற்சி செய்யப்படுகிறது. 2Na-Hg(l) + 2H₂O(l) \rightarrow 2NaOH(aq) + H₂(g) + 2Hg(l)
• தயாரிப்புகள்: அதிக தூய குளோரின் வாயு, அதிக தூய மற்றும் செறிவூட்டப்பட்ட சோடியம் ஹைட்ராக்சைடு கரைசல், மற்றும் ஹைட்ரஜன் வாயு.
• நன்மைகள்: மிகத் தூய மற்றும் செறிவூட்டப்பட்ட NaOH ஐ உற்பத்தி செய்கிறது.
• தீமைகள்: அதிக ஆற்றல் நுகர்வு; பாதரசக் கசிவு காரணமாக குறிப்பிடத்தக்க சுற்றுச்சூழல் கவலைகள், பல பிராந்தியங்களில் இது படிப்படியாக நீக்கப்படுவதற்கு வழிவகுக்கிறது.

3. சவ்வு செல் (அயன்-பரிமாற்ற சவ்வு செல்)

• கோட்பாடு: ஒரு கேட்டயன்-பரிமாற்ற சவ்வு (எ.கா., Nafion) பயன்படுத்தி Na⁺ அயனிகள் அனோட் அறையிலிருந்து கேத்தோடு அறைக்குத் தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட முறையில் செல்ல அனுமதிக்கிறது, அதே நேரத்தில் Cl⁻ மற்றும் OH⁻ அயனிகளின் இடப்பெயர்ச்சியைத் தடுக்கிறது. இது தனித்தனியான, அதிக தூய தயாரிப்புகளை உறுதி செய்கிறது.
• அமைப்பு: ஒரு கேட்டயன்-பரிமாற்ற சவ்வு மூலம் செல் இரண்டு அறைகளாகப் பிரிக்கப்பட்டுள்ளது. கார்புளி நீர் அனோட் அறைக்கு (DSA அனோட்) செலுத்தப்படுகிறது. தூய நீர் கேத்தோடு அறைக்கு (நிக்கல் கேத்தோடு) செலுத்தப்படுகிறது.
• வினைகள்:
  • அனோடில் (ஆக்ஸிஜனேற்றம்): 2Cl⁻(aq) \rightarrow Cl₂(g) + 2e⁻
  • கேத்தோடில் (ஒடுக்கம்): நீர் ஒடுக்கப்படுகிறது. 2H₂O(l) + 2e⁻ \rightarrow H₂(g) + 2OH⁻(aq)
  • சவ்வு செயல்பாடு: Na⁺ அயனிகள் அனோட் அறையிலிருந்து கேத்தோடு அறைக்கு சவ்வு வழியாகப் பயணிக்கின்றன, அங்கு அவை OH⁻ அயனிகளுடன் இணைந்து NaOH ஐ உருவாக்குகின்றன.
  • ஒட்டுமொத்த வினை: 2NaCl(aq) + 2H₂O(l) \rightarrow Cl₂(g) + H₂(g) + 2NaOH(aq)
• தயாரிப்புகள்: அதிக தூய குளோரின் வாயு, அதிக தூய மற்றும் செறிவூட்டப்பட்ட சோடியம் ஹைட்ராக்சைடு கரைசல், மற்றும் ஹைட்ரஜன் வாயு.
• நன்மைகள்: மிகவும் சுற்றுச்சூழலுக்கு உகந்த மற்றும் ஆற்றல் திறன் கொண்ட முறை. மிகத் தூய மற்றும் செறிவூட்டப்பட்ட NaOH ஐ உற்பத்தி செய்கிறது. நவீன தொழில்துறை ஆலைகளில் பரவலாக ஏற்றுக்கொள்ளப்பட்டுள்ளது.

டீக்கன் செயல்முறை (வரலாற்று/மைனர்)

• இந்த செயல்முறை ஹைட்ரஜன் குளோரைடு (HCl) வாயுவை காற்று (ஆக்ஸிஜன்) உடன் வினையூக்க ஆக்ஸிஜனேற்றம் செய்வதன் மூலம் குளோரினை உற்பத்தி செய்வதை உள்ளடக்கியது.
• 4HCl(g) + O₂(g) \rightleftharpoons 2Cl₂(g) + 2H₂O(g)
• வினையூக்கி: CuCl₂ 400-450 °C இல்.
• இது குளோரினை அதன் இயற்கை மூலங்களிலிருந்து பிரித்தெடுப்பதற்கான ஒரு முதன்மை முறை அல்ல, மாறாக துணைப் பொருளாக கிடைக்கும் HCl இலிருந்து குளோரினை மீட்டெடுப்பதற்கான ஒரு வழியாகும்.

குளோரினின் சுத்திகரிப்பு மற்றும் தூய்மைப்படுத்துதல்

மின்னாற்பகுப்பு செல்களிலிருந்து நேரடியாகப் பெறப்படும் குளோரின் வாயுவில் பெரும்பாலும் ஈரப்பதம் மற்றும் சில சமயங்களில் ஹைட்ரஜன் வாயு (குறிப்பாக டயாஃப்ரம் செல்களிலிருந்து) போன்ற அசுத்தங்கள் இருக்கும். தொழில்துறை பயன்பாடு மற்றும் பாதுகாப்பான சேமிப்பிற்காக இது சுத்திகரிக்கப்பட்டு உலர்த்தப்பட வேண்டும்.

1. குளிரூட்டுதல்: குளோரின் வாயு முதலில் குளிரூட்டப்பட்டு, பெரும்பாலான நீர் ஆவியை ஒடுக்கப்படுகிறது.
2. உலர்த்துதல்: குளிரூட்டப்பட்ட குளோரின் வாயு பின்னர் செறிவூட்டப்பட்ட சல்பூரிக் அமிலம் (H₂SO₄) எதிராக எதிர்-ஓட்டத்தில் பாயும் பீங்கான் வளையங்களால் நிரப்பப்பட்ட கோபுரங்கள் வழியாக செலுத்தப்படுகிறது. செறிவூட்டப்பட்ட சல்பூரிக் அமிலம் ஒரு வலுவான நீராக்கும் முகவர் மற்றும் குளோரின் வாயுவில் உள்ள மீதமுள்ள ஈரப்பதத்தை திறம்பட நீக்குகிறது.
3. ஹைட்ரஜனைப் பிரித்தல் (இருப்பின்): உலர்த்திய பிறகு, குளோரின் வாயு மேலும் சுத்திகரிக்கப்படலாம். ஹைட்ரஜன் இருந்தால், அது பொதுவாக திரவமாக்கல் மூலம் பிரிக்கப்படுகிறது.
4. திரவமாக்கல்: உலர்ந்த குளோரின் வாயு சுருக்கப்பட்டு சுமார் -40 °C (அல்லது அழுத்தம் பொறுத்து குறைவாக) வரை மேலும் குளிரூட்டப்பட்டு திரவமாக்கப்படுகிறது. ஹைட்ரஜன் (மற்றும் மற்ற ஒடுக்க முடியாத வாயுக்கள்) வாயு நிலையில் இருக்கும் மற்றும் பிரிக்கப்படுகிறது.
5. சேமிப்பு: திரவமாக்கப்பட்ட குளோரின் எஃகு சிலிண்டர்கள், கொள்கலன்கள் அல்லது ரயில்வே டேங்க் கார்களில் அழுத்தம் கீழ் போக்குவரத்து மற்றும் தொழில்துறை பயன்பாட்டிற்காக சேமிக்கப்படுகிறது.