நைட்ரஜன் (N) தொழில்துறை பிரித்தெடுத்தல்

இயற்கை இருப்பு மற்றும் முக்கிய மூலங்கள்

நைட்ரஜன் (N) ஒரு அலோகத் தனிமம், இது முக்கியமாக வாயு வடிவில் காணப்படுகிறது. இது உலோகங்களைப் போல பாரம்பரிய “தாதுக்களில்” இருப்பதில்லை.

வளிமண்டல நைட்ரஜன் (N₂)

• முதன்மை ஆதாரம்: பூமியின் வளிமண்டலத்தில் சுமார் 78% கனஅளவு டைகைட்ரஜனாக (N₂) உள்ளது. இதுவே மிக முக்கியமான தொழில்துறை ஆதாரமாகும்.

கனிம நைட்ரஜன் சேர்மங்கள்

• நைட்ரேட்டுகள்: இயற்கையாகக் கிடைக்கும் நைட்ரேட் உப்புகளாகக் காணப்படுகின்றன, அவையாவன:
  • சிலி சால்ட் பீட்டர்: சோடியம் நைட்ரேட் (NaNO₃)
  • இந்தியன் சால்ட் பீட்டர்: பொட்டாசியம் நைட்ரேட் (KNO₃)
  • இவை நைட்ரஜன் சேர்மங்களுக்கான ஆதாரங்கள், ஆனால் பொதுவாக தனிம நைட்ரஜன் (N₂) பிரித்தெடுப்பதற்கானவை அல்ல.

கரிம நைட்ரஜன் சேர்மங்கள்

• அனைத்து உயிரினங்களிலும் (புரதங்கள், நியூக்ளிக் அமிலங்கள், அமினோ அமிலங்கள்) காணப்படுகின்றன. இவை தனிம நைட்ரஜன் (N₂) பிரித்தெடுப்பதற்கான தொழில்துறை ஆதாரங்கள் அல்ல.

காற்றிலிருந்து நைட்ரஜனைத் தொழில்துறை ரீதியாகப் பிரித்தெடுத்தல்

தனிம நைட்ரஜன் (N₂) தொழில்துறை பிரித்தெடுத்தல் வளிமண்டலக் காற்றிலிருந்து அதைப் பிரிப்பதைத் தனது முக்கிய நோக்கமாகக் கொண்டுள்ளது. இந்தச் செயல்முறை காற்றில் உள்ள நைட்ரஜனை திரவமாக்குதல் மற்றும் அதனைத் தொடர்ந்து பகுதிப்பிரிப்பு காய்ச்சி வடித்தலை உள்ளடக்கியது. மிகவும் பொதுவான முறை லிண்டே-பிராங்கிள் செயல்முறை அல்லது அதன் வேறுபாடுகளாகும்.

1. காற்று தயாரித்தல் (முன் சிகிச்சை)

குறைந்த வெப்பநிலைகளில் அசுத்தங்கள் திடப்படுவதால் ஏற்படும் அடைப்புகளைத் தடுக்க, வளிமண்டலக் காற்று திரவமாக்கப்படுவதற்கு முன் சுத்திகரிக்கப்பட வேண்டும்.

• தூசு நீக்கம்: காற்றிலுள்ள துகள்களை நீக்க வடிகட்டப்படுகிறது.
• கார்பன் டை ஆக்சைடு (CO₂) நீக்கம்: CO₂ ஆனது காற்றை ஸ்க்ரப்பர்கள் வழியாக செலுத்துவதன் மூலம் நீக்கப்படுகிறது. ஸ்க்ரப்பர்களில் உள்ளவை:
  • காஸ்டிக் சோடா (NaOH) கரைசல்: 2NaOH(aq) + CO₂(g) → Na₂CO₃(aq) + H₂O(l)
  • அல்லது, மூலக்கூறு சல்லடைகளில் (molecular sieves) உறிஞ்சுதல் மூலம்.
• நீராவி (H₂O) நீக்கம்: ஈரப்பதம் நீக்கப்படுவது பின்வருமாறு:
  • காற்றை குளிர்விப்பதன் மூலம் நீரை ஒடுங்கச் செய்தல்.
  • செயல்படுத்தப்பட்ட அலுமினா (Al₂O₃) அல்லது சிலிக்கா ஜெல் (SiO₂) போன்ற உலர்த்தும் முகவர்கள் வழியாக செலுத்துதல்.
  • மூலக்கூறு சல்லடைகளைப் பயன்படுத்துதல்.

2. காற்றின் திரவமாக்கல்

சுத்திகரிக்கப்பட்ட காற்று பின்னர் குளிர்விக்கப்பட்டு, திரவமாக்கலை அடைய மீண்டும் மீண்டும் அழுத்தப்படுகிறது, இது ஜூல்-தாம்சன் விளைவை அடிப்படையாகக் கொண்டது.

• அழுத்தம்: காற்று அதிக அழுத்தங்களுக்கு (எ.கா., 100-200 atm) அழுத்தப்படுகிறது.
• குளிர்வித்தல்: அழுத்தப்பட்ட காற்று குளிர்பதனப் பொருட்கள் மூலமாகவோ அல்லது ஏற்கனவே குளிர்விக்கப்பட்ட காற்றை வெப்பப் பரிமாற்றிகளில் விரிவடையச் செய்வதன் மூலமாகவோ குளிர்விக்கப்படுகிறது.
• விரிவாக்கம் (ஜூல்-தாம்சன் விளைவு): அதிகமாக அழுத்தப்பட்ட, குளிர்விக்கப்பட்ட காற்று ஒரு விரிவாக்க வால்வு வழியாக விரைவாக விரிவடைய அனுமதிக்கப்படுகிறது. இந்த திடீர் விரிவாக்கம் வெப்பநிலையில் குறிப்பிடத்தக்க வீழ்ச்சியை ஏற்படுத்துகிறது.
  • செயல்முறை ஓட்டத்தின் விளக்கம்:
    1. வடிகட்டப்பட்ட மற்றும் சுத்திகரிக்கப்பட்ட காற்று ஒரு அமுக்கி (compressor) மூலம் அழுத்தப்படுகிறது.
    2. சூடான அழுத்தப்பட்ட காற்று, உள்ளே வரும் குளிர்ந்த வாயு நீரோட்டங்களால் வெப்பப் பரிமாற்றிகளில் குளிர்விக்கப்படுகிறது.
    3. ஏற்கனவே குளிர்ந்த, விரிவடையும் வாயுவுடன் வெப்பத்தைப் பரிமாறும்போது மேலும் குளிர்விக்கப்படுகிறது.
    4. முன் குளிர்விக்கப்பட்ட, உயர் அழுத்தக் காற்று ஒரு விரிவாக்க வால்வு வழியாகச் செல்கிறது, அங்கு அது ஜூல்-தாம்சன் விளைவு காரணமாக விரைவாக விரிவடைந்து கணிசமாகக் குளிர்விக்கப்படுகிறது.
    5. இந்த கட்டத்தில் காற்றின் ஒரு பகுதி திரவமாகிறது. திரவமாகாத வாயு வெப்பப் பரிமாற்றிகள் வழியாக அனுப்பப்பட்டு, உள்ளே வரும் அழுத்தப்பட்ட காற்றைக் குளிர்விக்கப் பயன்படுத்தப்படுகிறது, பின்னர் அமுக்கி வழியாக மறுசுழற்சி செய்யப்படுகிறது.
    6. திரவக் காற்று திரவமாக்கல் கலத்தின் அடிப்பகுதியில் சேகரிக்கப்படுகிறது.

3. திரவக் காற்றின் பகுதிப்பிரிப்பு காய்ச்சி வடித்தல் (கூறுகளைப் பிரித்தல்)

திரவக் காற்று, திரவ நைட்ரஜன் (கொதிநிலை -196 °C), திரவ ஆக்ஸிஜன் (கொதிநிலை -183 °C) மற்றும் திரவ ஆர்கான் (கொதிநிலை -186 °C) ஆகியவற்றின் கலவையாகும், இது பின்னர் பகுதிப்பிரிப்பு காய்ச்சி வடித்தல் செய்யப்படுகிறது.

• கொள்கை: பிரிப்பு கூறுகளின் கொதிநிலைகளில் உள்ள வேறுபாட்டை அடிப்படையாகக் கொண்டது. மிகக் குறைந்த கொதிநிலையைக் கொண்ட நைட்ரஜன் முதலில் ஆவியாகிறது.
• காய்ச்சிவடித்தல் நிரல் (Distillation Column): ஒரு உயரமான பகுதிப்பிரிப்பு நிரல் (fractionating column) பயன்படுத்தப்படுகிறது, இது பொதுவாக குறைந்த வெப்பநிலைகளில் செயல்படுகிறது.
  • செயல்முறை ஓட்டத்தின் விளக்கம்:
    1. திரவக் காற்று பகுதிப்பிரிப்பு நிரலின் நடுப்பகுதிக்கு அருகில் செலுத்தப்படுகிறது.
    2. திரவம் கீழே இறங்கும்போது, மேலே எழும் ஆவிகளால் அது சூடுபடுத்தப்படுகிறது.
    3. நைட்ரஜன், அதிக ஆவியாகும் தன்மையுடன் இருப்பதால், முன்னுரிமையுடன் ஆவியாகி நிரலின் உச்சிக்கு உயர்கிறது.
    4. ஆக்ஸிஜன், அதிக கொதிநிலையுடன், நிரலின் அடிப்பகுதியில் திரவமாகக் குவிகிறது. ஆர்கான், இடைப்பட்ட கொதிநிலையுடன், நைட்ரஜனுக்கும் ஆக்ஸிஜனுக்கும் இடையில் உள்ள ஒரு பகுதியில் குவிகிறது.
    5. தூய வாயு நைட்ரஜன் (N₂) நிரலின் உச்சியில் இருந்து சேகரிக்கப்படுகிறது.
    6. வாயு ஆக்ஸிஜன் (O₂) அடிப்பகுதியில் இருந்து சேகரிக்கப்படுகிறது.
    7. தேவைப்பட்டால், ஆர்கான் ஒரு இடைப்பட்ட பகுதியிலிருந்து மேலும் சுத்திகரிக்கச் சேகரிக்கப்படலாம்.

செப்பனிடுதல் மற்றும் சுத்திகரிப்பு

பகுதிப்பிரிப்பு நிரலின் உச்சியில் இருந்து பெறப்படும் நைட்ரஜன் ஏற்கனவே மிகவும் தூயதாக உள்ளது (பொதுவாக >99.5%). இன்னும் அதிக தூய்மை தேவைகளுக்கு, மேலும் பல படிகள் பயன்படுத்தப்படலாம்:

• மேலும் பகுதிப்பிரிப்பு காய்ச்சி வடித்தல்: நைட்ரஜன் வாயு அல்லது திரவத்தை மறு-காய்ச்சி வடித்தல், சிறிய அளவிலான ஆக்ஸிஜன் அல்லது ஆர்கான் அசுத்தங்களை நீக்குவதன் மூலம் தூய்மையை மேம்படுத்தும்.
• வினையூக்கி ஆக்ஸிஜன் நீக்கம்: அதி-உயர் தூய நைட்ரஜனுக்கு (எ.கா., 99.999%), நைட்ரஜனை ஒரு வினையூக்கி (எ.கா., பல்லேடியம்) மீது, ஒரு சிறிய அளவு ஹைட்ரஜன் முன்னிலையில் செலுத்துவதன் மூலம், தடய ஆக்ஸிஜனை நீக்கலாம், இது தண்ணீரை உருவாக்குகிறது: 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g).
  • நீர் பின்னர் உறிஞ்சுதல் மூலம் நீக்கப்படுகிறது.
• உறிஞ்சுதல்: மீதமுள்ள தடய அசுத்தங்களை நீக்க மூலக்கூறு சல்லடைகள் அல்லது செயல்படுத்தப்பட்ட கார்பனைப் பயன்படுத்துதல்.

சுத்திகரிக்கப்பட்ட நைட்ரஜன் பின்னர் அமுக்கப்பட்டு சிலிண்டர்களில் சேமிக்கப்படுகிறது அல்லது காப்பிடப்பட்ட கிரையோஜெனிக் தொட்டிகளில் திரவ நைட்ரஜனாக கொண்டு செல்லப்படுகிறது.