துத்தநாகம் (Zn) உலோகவியல் மற்றும் தொழில்துறை பிரித்தெடுத்தல்

இயற்கையான நிகழ்வு மற்றும் முக்கிய தாதுக்கள்

துத்தநாகம் மிதமான வினைத்திறன் கொண்ட உலோகம், எனவே இது இயற்கையில் அதன் தனித்த (கட்டற்ற) நிலையில் காணப்படுவதில்லை. இது முதன்மையாக பல்வேறு தாதுக்களின் கலப்பு வடிவங்களில் காணப்படுகிறது.

துத்தநாகத்தின் முக்கிய தாதுக்கள்

1. துத்தநாக பிளென்ட் (ஸ்பாலரைட்): ZnS (சல்பைட் தாது) – தொழில்துறை துத்தநாகம் பிரித்தெடுத்தலுக்கான மிகவும் குறிப்பிடத்தக்க மற்றும் ஏராளமான தாது இதுவாகும். இது பெரும்பாலும் கேலினா (PbS) மற்றும் இரும்பு பைரைட்ஸ் (FeS₂) உடன் கலந்து காணப்படுகிறது.
2. கலாமைன் (ஸ்மித்சோனைட்): ZnCO₃ (கார்பனேட் தாது) – ஒரு முக்கியமான இரண்டாம் நிலை தாது.
3. ஜிங்கைட்: ZnO (ஆக்சைடு தாது) – குறைவாகக் காணப்பட்டாலும், துத்தநாகத்தின் ஒரு ஆதாரமாகும்.

தாதுச்செறிவு

உலோகவியலின் ஆரம்ப படி தாதுச்செறிவு ஆகும், இதில் தாதுவிலிருந்து கேங்க் (விரும்பத்தகாத பாறைப் பொருள்) அகற்றப்படுகிறது. தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட முறை தாது மற்றும் கேங்கின் தன்மையைப் பொறுத்தது.

துத்தநாக பிளென்ட் (ZnS) க்கான – நுரை மிதப்பு முறை

சல்பைட் தாதுவான துத்தநாக பிளென்ட், அதன் நீர் விலக்கு தன்மை (hydrophobic nature) மற்றும் பிற சல்பைடுகள் அல்லது கேங்கிலிருந்து அதைத் தேர்ந்தெடுத்துப் பிரிக்கும் திறன் காரணமாக நுரை மிதப்பு முறையைப் பயன்படுத்தி செறிவூட்டப்படுகிறது.

1. கொள்கை: இந்த செயல்முறை, எண்ணெய் (எ.கா., பைன் எண்ணெய், சாந்தேட்டுகள்) கொண்டு தாதுவை ஈரம் செய்வது மற்றும் கேங்கை நீர் கொண்டு ஈரம் செய்வது மூலம், சல்பைட் தாதுவின் நுண்ணிய துகள்களை கேங்கிலிருந்து பிரிக்கிறது. பின்னர் காற்றானது கலவையின் வழியாக ஊதப்பட்டு நுரை உருவாக்கப்படுகிறது.
2. செயல்முறை:
   • நன்றாக நொறுக்கப்பட்ட தாது தண்ணீருடன் கலந்து கூழ்மமாக (slurry) உருவாக்கப்படுகிறது.
   • சேகரிப்பாளர்கள்: பைன் எண்ணெய், கொழுப்பு அமிலங்கள் அல்லது சாந்தேட்டுகள் போன்ற பொருட்கள் சேர்க்கப்படுகின்றன. இவை சல்பைட் தாது துகள்களுடன் தேர்ந்தெடுத்துப் பிணைந்து, அவற்றை நீர் விலக்கும் தன்மையுடையதாக (hydrophobic) ஆக்குகின்றன.
   • நுரையூட்டிகள்: க்ரெசோல்கள் அல்லது அனிலின் போன்ற இரசாயனங்கள் நுரையை நிலைப்படுத்த சேர்க்கப்படுகின்றன.
   • அழுத்தக்குறைப்பான்கள்: ZnS ஆனது PbS உடன் தொடர்புடையதாக இருக்கும்போது சோடியம் சயனைடு (NaCN) அல்லது சோடியம் ஹைட்ராக்சைடு (NaOH) சேர்க்கப்படலாம். NaCN ஆனது ZnS நுரையுடன் வராமல் தேர்ந்தெடுத்துத் தடுக்கிறது, PbS முதலில் மிதக்க அனுமதிக்கிறது. பின்னர், ZnS மிதக்க வைக்கப்படலாம்.
   • கலவையின் உள்ளே காற்று தீவிரமாக ஊதப்படுகிறது, இது நுரையை உருவாக்குகிறது, நுரை தாது துகள்களை மேற்பரப்பிற்கு எடுத்துச் செல்கிறது, அதே நேரத்தில் கேங் அடியில் அமர்கிறது. பின்னர் நுரை அள்ளப்படுகிறது.

கச்சா உலோகமாக ஒடுக்குதல்

செறிவூட்டப்பட்ட பிறகு, தாது ஒடுக்குதலுக்கு ஏற்ற வடிவமாக, பொதுவாக ஒரு ஆக்சைடாக மாற்றப்படுகிறது, பின்னர் கச்சா உலோகமாக ஒடுக்கப்படுகிறது.

1. தாதுவை துத்தநாக ஆக்சைடாக (ZnO) மாற்றுதல்

சல்பைட் மற்றும் கார்பனேட் தாதுக்கள் இரண்டும் முதலில் துத்தநாக ஆக்சைடாக மாற்றப்படுகின்றன.

அ. வறுத்தல் (ZnS தாது)

• செயல்முறை: துத்தநாக பிளென்ட் (ZnS) அதிக வெப்பநிலையில் (வழக்கமாக 900-1000°C) ஒரு பாய்ம படுகை வறுக்கும் கருவியில் அதிகப்படியான காற்றின் முன்னிலையில் தீவிரமாக சூடுபடுத்தப்படுகிறது. இது சல்பைடை ஆக்சைடாகவும் சல்ஃபர் டை ஆக்சைடு வாயுவாகவும் மாற்றுகிறது.
• வினை: 2ZnS(s) + 3O₂(g) → 2ZnO(s) + 2SO₂(g)
• குறிப்பு: உற்பத்தி செய்யப்படும் SO₂ பொதுவாகப் பிடிக்கப்பட்டு சல்ஃபியூரிக் அமிலம் (H₂SO₄) தயாரிப்பதற்குப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

ஆ. வறுக்காமல் சூடுபடுத்துதல் (ZnCO₃ தாது) (Calcination)

• செயல்முறை: கலாமைன் (ZnCO₃) தாது காற்றற்ற நிலையில் 800-900°C வெப்பநிலையில் சுழல் சூளைகளில் சூடுபடுத்தப்படுகிறது. இது கார்பனேட்டை துத்தநாக ஆக்சைடு மற்றும் கார்பன் டை ஆக்சைடாக சிதைக்கிறது.
• வினை: ZnCO₃(s) → ZnO(s) + CO₂(g)

2. துத்தநாக ஆக்சைடை (ZnO) கச்சா துத்தநாகமாக ஒடுக்குதல்

துத்தநாக ஆக்சைடை உலோக துத்தநாகமாக ஒடுக்க இரண்டு முக்கிய முறைகள் உள்ளன:

அ. உருகுதல் (கார்பன் ஒடுக்க செயல்முறை)

• கொள்கை: துத்தநாகம் ஒப்பீட்டளவில் குறைந்த கொதிநிலையைக் (907°C) கொண்டுள்ளது, இது தேவையான ஒடுக்க வெப்பநிலையை (1100-1400°C) விடக் குறைவு. எனவே, துத்தநாகம் ஒரு ஆவியாகப் பெறப்படுகிறது மற்றும் விரைவாக ஒடுக்கப்பட வேண்டும்.
• செயல்முறை:
  • செறிவூட்டப்பட்ட ZnO (வறுத்தல் அல்லது வறுக்காமல் சூடுபடுத்துதல் மூலம் பெறப்பட்டது) பொடியாக்கப்பட்ட கோக் (கார்பன்) உடன் கலந்து செங்குத்து retorts அல்லது மின்சார வெப்பச் சூளைகளில் சூடுபடுத்தப்படுகிறது.
  • வினை: ZnO(s) + C(s) → Zn(g) + CO(g) (1100-1400°C இல்)
  • உருவாகும் துத்தநாக ஆவி, சிறப்பு ஒடுக்கிகளில் (condensers) விரைவாக ஒடுக்கப்பட்டு திரவ துத்தநாகமாக (“ஸ்பெல்டர்” என்று அழைக்கப்படுகிறது) உருவாகிறது. துத்தநாகம் மீண்டும் ஆக்சிஜனேற்றம் அடைவதையோ அல்லது துத்தநாகத் தூள் உருவாவதையோ தடுக்க விரைவான குளிர்வித்தல் அவசியம்.
• கச்சா உலோகம்: பெறப்படும் ஸ்பெல்டரில் பொதுவாக காரீயம், காட்மியம் மற்றும் இரும்பு போன்ற அசுத்தங்கள் உள்ளன.

ஆ. மின்பகுப்பு முறை (நீர்ம உலோகவியல்)

இந்த முறை பெருகிய முறையில் பிரபலமடைந்து வருகிறது, குறிப்பாக குறைந்த தர தாதுக்களுக்கு அல்லது அதிக தூய்மையான துத்தநாகம் தேவைப்படும்போது.

1. கரைத்து பிரித்தெடுத்தல்: வறுத்த அல்லது வறுக்காமல் சூடுபடுத்தப்பட்ட ZnO நீர்த்த சல்ஃபியூரிக் அமிலத்தால் கரைத்து பிரித்தெடுக்கப்பட்டு துத்தநாக சல்பேட் கரைசல் உருவாகிறது.
   • வினை: ZnO(s) + H₂SO₄(aq) → ZnSO₄(aq) + H₂O(l)
2. ZnSO₄ கரைசலைத் தூய்மையாக்குதல்: மின்பகுப்புடன் தலையிடக்கூடிய அல்லது துத்தநாகத்துடன் சேர்ந்து படியக்கூடிய அசுத்தங்களை (எ.கா., Fe, Cu, Cd, Ni, Co) அகற்ற கரைசல் தீவிரமாக தூய்மையாக்கப்பட வேண்டும். இது பொதுவாக துத்தநாகத் தூளைச் சேர்ப்பதன் மூலம் செய்யப்படுகிறது, இது கரைசலில் இருந்து அதிக மின்நேர் உலோகங்களை இடமாற்றம் செய்கிறது.
   • உதாரணம்: CuSO₄(aq) + Zn(s) → ZnSO₄(aq) + Cu(s)
3. மின்பகுப்பு: தூய்மையாக்கப்பட்ட ZnSO₄ கரைசல் மந்தமான காரீய மின்முனைகள் (anodes) மற்றும் தூய அலுமினிய எதிர்முனைகள் (cathodes) பயன்படுத்தி மின்பகுக்கப்படுகிறது.
   • எதிர்முனையில்: Zn²⁺(aq) + 2e⁻ → Zn(s) (தூய துத்தநாகம் அலுமினிய எதிர்முனையில் படிகிறது).
   • மின்முனையில்: H₂O(l) → 2H⁺(aq) + ½O₂(g) + 2e⁻ (ஆக்ஸிஜன் வாயு வெளியேறுகிறது, மற்றும் சல்ஃபியூரிக் அமிலம் மறுஉருவாக்கம் செய்யப்படுகிறது).
   • தயாரிப்பு: இந்த செயல்முறை மிக அதிக தூய்மையான துத்தநாகத்தை (99.9% முதல் 99.99% வரை) அளிக்கிறது.

தூய்மையாக்குதல் மற்றும் சுத்திகரிப்பு

ஒடுக்க செயல்முறைகளில் இருந்து பெறப்படும் கச்சா துத்தநாகத்தில் பெரும்பாலும் அசுத்தங்கள் உள்ளன, மேலும் தொழில்துறை விவரக்குறிப்புகளை பூர்த்தி செய்ய மேலும் தூய்மையாக்கப்பட வேண்டும்.

1. பின்னக் காய்ச்சிவடித்தல் (உருக்கப்பட்ட துத்தநாகத்திற்கு)

• கொள்கை: இந்த முறை துத்தநாகத்திற்கும் அதன் பொதுவான அசுத்தங்களுக்கும் (எ.கா., Pb, Fe, Cd) இடையே உள்ள கொதிநிலைகளில் உள்ள குறிப்பிடத்தக்க வேறுபாடுகளைப் பயன்படுத்துகிறது. துத்தநாகத்தின் கொதிநிலை 907°C ஆகும்.
• செயல்முறை:
  • கச்சா உருகிய துத்தநாகம் (ஸ்பெல்டர்) ஒரு காய்ச்சிவடித்தல் நிரலுக்குள் செலுத்தப்படுகிறது.
  • துத்தநாகம் ஆவியாகிறது, மேலும் அதிக ஆவியாகும் அசுத்தங்களுடனும் (காட்மியம் போல, கொதிநிலை ~767°C). குறைந்த ஆவியாகும் அசுத்தங்கள் (காரீயம் போல, கொதிநிலை ~1749°C; இரும்பு போல, கொதிநிலை ~2861°C) திரவ நிலையில் இருக்கும்.
  • துத்தநாக ஆவி ஒடுக்கப்படுகிறது, மேலும் காட்மியம் இருந்தால் இரண்டாவது காய்ச்சிவடித்தல் மூலம் மேலும் பிரித்தெடுத்தல் அடையலாம்.
• தூய்மை: இந்த செயல்முறை 99.95% வரை தூய்மையான துத்தநாகத்தை அளிக்க முடியும்.

2. மின்பகுப்பு சுத்திகரிப்பு (உருக்கப்பட்ட அல்லது உயர் தூய்மை தேவைகளுக்கு)

மின்பகுப்பு செயல்முறை ஏற்கனவே அதிக தூய்மையான துத்தநாகத்தை அளித்தாலும், மிக அதிக தூய்மை தேவைப்பட்டால் மேலும் மின்பகுப்பு சுத்திகரிப்பு செய்யப்படலாம்.

• செயல்முறை:
  • தூய்மையற்ற துத்தநாகம் மின்முனையாக (anode) செயல்படுகிறது.
  • தூய துத்தநாகம் அல்லது அலுமினியத்தின் மெல்லிய தகடு எதிர்முனையாக (cathode) செயல்படுகிறது.
  • துத்தநாக சல்பேட் கரைசல் கொண்ட மின்பகுளி பயன்படுத்தப்படுகிறது.
  • மின்பகுப்பின் போது, தூய துத்தநாகம் எதிர்முனையில் படிகிறது, அதே நேரத்தில் அதிக மின்நேர் அசுத்தங்கள் (எ.கா., Fe, Ni) மின்முனை கசடுகளில் (anode sludge) இருக்கும், மேலும் குறைந்த மின்நேர் அசுத்தங்கள் (எ.கா., Cd) மின்பகுளியில் கரைகின்றன.
• தூய்மை: 99.99% க்கு மேல் தூய்மையை அடைய முடியும்.