ஆக்ஸிஜன் (O) தொழிற்சாலை உற்பத்தி

ஆக்ஸிஜன் (O) ஒரு அலோகத் தனிமம் மற்றும் நிலையான வெப்பநிலை மற்றும் அழுத்தத்தில் ஒரு வாயுப் பகுதிப் பொருள் ஆகும். அதன் தொழிற்சாலை உற்பத்தியானது தாதுக்களிலிருந்து உலோகங்களைப் பிரித்தெடுப்பது போன்ற உலோகவியல் செயல்முறைகளை உள்ளடக்குவதில்லை. அதற்குப் பதிலாக, இது காற்று மற்றும் நீர் போன்ற எளிதில் கிடைக்கும் மூலங்களிலிருந்து உற்பத்தி செய்யப்படுகிறது.

இயற்கையில் காணப்படுதல்

ஆக்ஸிஜன் பூமியின் மேலோட்டில் நிறை அடிப்படையில் மிகவும் அதிகமாகக் காணப்படும் தனிமம் ஆகும், இது சேர்மங்களை உருவாக்குகிறது, மேலும் வளிமண்டலத்தில் பருமன் அடிப்படையில் இரண்டாவது மிக அதிகமாகக் காணப்படும் வாயு ஆகும்.

• வளிமண்டலம்: பருமன் அடிப்படையில் சுமார் 21% இரு அணு ஆக்ஸிஜனாக (O₂).
• நீர்க்கோளம்: நீரின் (H₂O) ஒரு முக்கிய கூறு.
• நிலக்கோளம்: பல ஆக்சைடு கனிமங்களில் (எ.கா., சிலிக்கேட்டுகள், கார்பனேட்டுகள், இரும்பு ஆக்சைடுகள்) காணப்படுகிறது. இருப்பினும், இவை உலோகவியல் ரீதியாக ஆக்ஸிஜன் பிரித்தெடுப்பதற்கான “தாதுக்கள்” என்று கருதப்படுவதில்லை.

தொழிற்சாலை உற்பத்தி முறைகள்

ஆக்ஸிஜனைப் பெறுவதற்கான முதன்மைத் தொழிற்சாலை முறைகள்:

1. திரவக் காற்றின் பின்னக் காய்ச்சிவடித்தல் (குளிரூட்டப்பட்ட காற்றுப் பிரிப்பு)

அதிக தூய்மையான ஆக்ஸிஜன், நைட்ரஜன் மற்றும் ஆர்கான் ஆகியவற்றை பெரிய அளவில் உற்பத்தி செய்வதற்கான மிகவும் பொதுவான மற்றும் சிக்கனமான முறை இதுவாகும்.

செயல்முறை படிகள்:

1. காற்று முன்-சிகிச்சை:

   • வளிமண்டல காற்று உறிஞ்சப்பட்டு, தூசித் துகள்களை அகற்ற வடிகட்டப்படுகிறது.
   • பின்னர் அது அதிக அழுத்தத்திற்கு (பொதுவாக 5-10 MPa) சுருக்கப்படுகிறது.
   • சுருக்கப்பட்ட காற்று மூலக்கூறு சல்லடைகள் (molecular sieves) அல்லது செயல்படுத்தப்பட்ட அலுமினா (activated alumina) கொண்ட உறிஞ்சிகள் (adsorbers) வழியாக செலுத்தப்பட்டு கார்பன் டை ஆக்சைடு (CO₂) மற்றும் நீராவி (H₂O) அகற்றப்படுகிறது. இந்த அசுத்தங்கள் குளிரூட்டப்பட்ட வெப்பநிலையில் உறைந்து, உபகரணங்களைத் தடுக்கும்.

2. காற்று திரவமாக்குதல்:

   • சுத்திகரிக்கப்பட்ட, சுருக்கப்பட்ட காற்று வெப்பப் பரிமாற்றிகள் (heat exchangers) வழியாகச் செலுத்தப்பட்டு கணிசமாகக் குளிர்விக்கப்படுகிறது, பெரும்பாலும் காய்ச்சிவடித்தல் செயல்முறையிலிருந்து வரும் குளிர்ந்த பொருட்கள் (நைட்ரஜன் மற்றும் ஆக்ஸிஜன்) பயன்படுத்தப்படுகின்றன.
   • மேலும் குளிர்வித்தல் மற்றும் விரிவாக்கம் (எ.கா., ஒரு ஜூல்-தாம்சன் விரிவுபடுத்தி அல்லது விரிவாக்க விசையாழி மூலம்) காற்றைத் திரவமாக்குவதற்கு வழிவகுக்கிறது. திரவக் காற்று முக்கியமாக திரவ நைட்ரஜன் (கொதிநிலை -196 °C) மற்றும் திரவ ஆக்ஸிஜன் (கொதிநிலை -183 °C) ஆகியவற்றின் கலவையாகும்.

3. பின்னக் காய்ச்சிவடித்தல்:

   • திரவக் காற்று பின்னக் காய்ச்சிவடித்தல் கோபுரத்தில் செலுத்தப்படுகிறது, இது பொதுவாக ஒரு இரட்டைக் கோபுர அமைப்பு (உயர் அழுத்த மற்றும் குறைந்த அழுத்த கோபுரங்கள்) ஆகும்.
   • உயர் அழுத்த கோபுரம்: திரவக் காற்று இந்த கோபுரத்திற்குள் நுழைகிறது. குறைந்த கொதிநிலை (-196 °C) கொண்ட நைட்ரஜன் எளிதாக ஆவியாகி மேலேறுகிறது, அதேசமயம் அதிக கொதிநிலை (-183 °C) கொண்ட ஆக்ஸிஜன் திரவ நிலையில் இருக்க முனைகிறது மற்றும் அடியில் சேகரிக்கப்படுகிறது. நடுவில் ஆர்கான் நிறைந்த பகுதி பிரித்தெடுக்கப்படலாம்.
   • குறைந்த அழுத்த கோபுரம்: உயர் அழுத்த கோபுரத்திலிருந்து ஓரளவு பிரிக்கப்பட்ட நீரோட்டங்கள் குறைந்த அழுத்த கோபுரத்தில் மேலும் பிரிக்கப்படுகின்றன. திரவ ஆக்ஸிஜன் (பொதுவாக 99.5% தூய்மையானது) அடியில் சேகரிக்கப்படுகிறது, அதேசமயம் வாயு நைட்ரஜன் (99.99% தூய்மையானது) மேலிருந்து வெளியேறுகிறது. தேவைப்பட்டால், மேலும் சுத்திகரிப்புக்குப் பிறகு குறைந்த அழுத்த கோபுரத்தின் மேலிருந்து வாயு ஆக்ஸிஜனையும் வெளியேற்றலாம்.

தூய்மை மற்றும் பயன்பாடுகள்:

• இந்த முறையில் உற்பத்தி செய்யப்படும் ஆக்ஸிஜன் 99.5% க்கும் அதிகமான தூய்மை நிலைகளை அடைய முடியும்.
• எஃகு உற்பத்தி, இரசாயனத் தொகுப்பு, மருத்துவப் பயன்பாடுகள், வெல்டிங் மற்றும் ராக்கெட் தொழில்நுட்பம் ஆகியவற்றில் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

2. நீரின் மின்னாற்பகுப்பு

இந்த முறை சிறிய அளவிலான உற்பத்திக்கு அல்லது அதிக தூய்மை தேவைப்படும் இடங்களில், மற்றும் மின்சாரம் ஏராளமாகவும் மலிவாகவும் இருக்கும் இடங்களில் பொருத்தமானது.

கொள்கை:

நீர் (H₂O) வழியாக மின்சாரத்தைச் செலுத்துவதன் மூலம் ஹைட்ரஜன் வாயு (H₂) மற்றும் ஆக்ஸிஜன் வாயு (O₂) ஆகப் பிரிக்கப்படுகிறது.

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

செயல்முறை அமைப்பு:

• ஒரு மின்னாற்பகுப்பு கலம் பொதுவாக இரண்டு மந்தமான மின்முனைகளைக் (எ.கா., பிளாட்டினம், நிக்கல் அல்லது துருப்பிடிக்காத எஃகு) கொண்டிருக்கும், அவை ஒரு நீர்த்த மின்பகுளியில் (aqueous electrolyte) மூழ்கியிருக்கும்.
• நீரின் மின் கடத்துத்திறனை அதிகரிக்க மின்பகுளி பெரும்பாலும் ஒரு அமிலம் (எ.கா., கந்தக அமிலம்) அல்லது ஒரு காரம் (எ.கா., பொட்டாசியம் ஹைட்ராக்சைடு) கரைசலாக இருக்கும்.

மின்முனை வினைகள்:

• ஆனோடில் (நேர்மின்வாய்): ஆக்சிஜனேற்றம் நிகழ்கிறது, மற்றும் ஆக்ஸிஜன் வாயு உற்பத்தி செய்யப்படுகிறது. $2H_2O(l) \longrightarrow O_2(g) + 4H^+(aq) + 4e^-$ (அமில ஊடகத்தில்) அல்லது $4OH^-(aq) \longrightarrow O_2(g) + 2H_2O(l) + 4e^-$ (கார ஊடகத்தில்)

• கேதோடில் (எதிர்மின்வாய்): ஒடுக்கம் நிகழ்கிறது, மற்றும் ஹைட்ரஜன் வாயு உற்பத்தி செய்யப்படுகிறது. $4H^+(aq) + 4e^- \longrightarrow 2H_2(g)$ (அமில ஊடகத்தில்) அல்லது $4H_2O(l) + 4e^- \longrightarrow 2H_2(g) + 4OH^-(aq)$ (கார ஊடகத்தில்)

தூய்மை மற்றும் பயன்பாடுகள்:

• மின்னாற்பகுப்பு மூலம் உற்பத்தி செய்யப்படும் ஆக்ஸிஜன் பொதுவாக மிகத் தூய்மையானது (99.999% வரை), இது அதிக தூய்மை மிக முக்கியமாக தேவைப்படும் சிறப்புப் பயன்பாடுகளுக்கு ஏற்றதாக அமைகிறது.
• மருத்துவம் மற்றும் மருந்துத் தொழில்கள், ஆய்வகங்கள் மற்றும் எரிபொருள் கலங்களில் ஒரு கூறாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

சேமிப்பு மற்றும் போக்குவரத்து

தொழிற்சாலை ஆக்ஸிஜன் பல்வேறு வடிவங்களில் சேமிக்கப்பட்டு கொண்டு செல்லப்படுகிறது:

• அழுத்தப்பட்ட வாயு: உயர் அழுத்த எஃகு சிலிண்டர்களில் (வாயு ஆக்ஸிஜனுக்கு, O₂) 200 பார் அழுத்தம் வரை.
• திரவ ஆக்ஸிஜன் (LOX): பெரிய அளவிலான சேமிப்பு மற்றும் போக்குவரத்திற்காக காப்பிடப்பட்ட குளிரூட்டப்பட்ட தொட்டிகளில் (dewars), ஏனெனில் திரவ ஆக்ஸிஜன் வாயு ஆக்ஸிஜனை விட கணிசமாகக் குறைந்த அளவை ஆக்கிரமிக்கிறது.
• தளத்திலேயே உற்பத்தி: மிகப்பயன்பாடுடைய நுகர்வோர்களுக்காக, ஆக்ஸிஜன் உற்பத்தி ஆலைகள் (குளிரூட்டப்பட்ட அல்லது PSA/VPSA) பெரும்பாலும் பயனரின் வசதியிலேயே நேரடியாக அமைக்கப்படுகின்றன.