లోహ సంగ్రహణ శాస్త్రం మరియు క్లోరిన్ (Cl) పారిశ్రామిక సంగ్రహణ

సహజ లభ్యత మరియు ప్రధాన వనరులు

క్లోరిన్ అత్యంత క్రియాశీలక హాలోజన్ మరియు ప్రకృతిలో మూలక రూపంలో లభించదు. ఇది వివిధ అయానిక్ సమ్మేళనాలలో క్లోరైడ్ అయాన్‌లుగా (Cl⁻) మాత్రమే లభిస్తుంది.

1. సముద్రపు నీరు: అత్యంత సమృద్ధిగా లభించే వనరు, ఇది సుమారు 2.7% (w/v) సోడియం క్లోరైడ్ (NaCl) ను కలిగి ఉంటుంది, అలాగే తక్కువ మొత్తంలో ఇతర లోహ క్లోరైడ్‌లు (ఉదాహరణకు, MgCl₂, CaCl₂) కూడా ఉంటాయి.
2. బ్రైన్ బావులు (లవణజల బావులు): భూగర్భంలో ఉండే సాంద్రీకృత లవణ ద్రావణ నిక్షేపాలు.
3. రాతి ఉప్పు (హాలైట్): సోడియం క్లోరైడ్ (NaCl) యొక్క ఘన నిక్షేపాలు.
4. కార్నలైట్: ఒక ద్వి లవణం, KCl·MgCl₂·6H₂O.
5. సిల్వైట్: పొటాషియం క్లోరైడ్ (KCl).

మూలక క్లోరిన్ పారిశ్రామిక సంగ్రహణ కోసం, సోడియం క్లోరైడ్ దాని సమృద్ధి మరియు విద్యుద్విశ్లేషణ సౌలభ్యం కారణంగా ప్రాథమిక ముడి పదార్థం.

మూల పదార్థం యొక్క సాంద్రీకరణ

భౌతిక సాంద్రీకరణ పద్ధతులు అవసరమయ్యే లోహ ధాతువుల వలె కాకుండా, క్లోరైడ్ వనరుల “సాంద్రీకరణ” ప్రధానంగా విద్యుద్విశ్లేషణకు అనుకూలమైన స్వచ్ఛమైన, సాంద్రీకృత బ్రైన్ ద్రావణాన్ని పొందడాన్ని సూచిస్తుంది.

1. సముద్రపు నీరు/బ్రైన్ బావుల నుండి:

   • సౌర బాష్పీభవనం: సముద్రపు నీరు లేదా పలుచని బ్రైన్ ద్రావణాన్ని పెద్ద లోతులేని చెరువులలో బాష్పీభవనం చెందనిస్తారు, ఇది ముడి సోడియం క్లోరైడ్ స్ఫటికీకరణకు దారితీస్తుంది.
   • బ్రైన్ శుద్ధి: ముడి ఉప్పును నీటిలో కరిగించి లేదా బావుల నుండి నేరుగా లభించిన బ్రైన్‌ను శుద్ధి చేస్తారు. Ca²⁺, Mg²⁺, మరియు Fe³⁺ అయాన్‌ల వంటి మలినాలను తొలగించడానికి ఈ దశ చాలా ముఖ్యం. ఈ అయాన్‌లు విద్యుద్విశ్లేషణ ప్రక్రియకు ఆటంకం కలిగించవచ్చు (ఉదాహరణకు, హైడ్రాక్సైడ్‌లుగా అవక్షేపించి, పొరలను పాడుచేయడం లేదా అనవసరమైన ఉప-ఉత్పత్తులను ఏర్పరచడం ద్వారా).
   • రసాయన శుద్ధి: సాధారణంగా, మలినాలను తొలగించడానికి సోడియం కార్బోనేట్ (Na₂CO₃) ను కలిపి కాల్షియం కార్బోనేట్ (CaCO₃) ను అవక్షేపం చేస్తారు మరియు మెగ్నీషియం హైడ్రాక్సైడ్ (Mg(OH)₂) ను అవక్షేపించడానికి సోడియం హైడ్రాక్సైడ్ (NaOH) ను కలుపుతారు. ఈ అవక్షేపాలను తొలగించడానికి వడపోత ప్రక్రియను అనుసరిస్తారు.

2. రాతి ఉప్పు నుండి:

   • రాతి ఉప్పు నిక్షేపాలను తవ్వి, ఆపై నీటిలో కరిగించి సంతృప్త బ్రైన్ ద్రావణాన్ని ఏర్పరుస్తారు, దీనిని పైన వివరించిన విధంగా శుద్ధి చేస్తారు.

మూలక క్లోరిన్‌కు క్షయకరణం (పారిశ్రామిక సంగ్రహణ)

మూలక క్లోరిన్ పారిశ్రామికంగా దాదాపుగా కేవలం విద్యుద్విశ్లేషణ ద్వారా ఉత్పత్తి అవుతుంది. ఈ ప్రక్రియను సాధారణంగా క్లోర్-ఆల్కలీ ప్రక్రియ అని పిలుస్తారు, ఎందుకంటే ఇది క్లోరిన్ మరియు ఒక క్షారాన్ని (సోడియం హైడ్రాక్సైడ్) సహ-ఉత్పత్తి చేస్తుంది.

ఉపయోగించే మూడు ప్రధాన రకాల విద్యుద్విశ్లేషణ కణాలు ఉన్నాయి:

1. డయాఫ్రాగమ్ కణం (ఉదాహరణకు, నెల్సన్ కణం, హూకర్ కణం)

• సూత్రం: సజల NaCl ద్రావణం యొక్క విద్యుద్విశ్లేషణలో రంధ్రాలు గల డయాఫ్రాగమ్‌ను (చారిత్రాత్మకంగా ఆస్బెస్టాస్, ఇప్పుడు తరచుగా పాలిమర్ ఆధారిత) ఉపయోగించి ఆనోడ్ మరియు కాథోడ్ కంపార్ట్‌మెంట్‌లను వేరుచేస్తారు, ఉత్పత్తులు కలవకుండా నిరోధిస్తారు.
• అమరిక: ఆనోడ్ కంపార్ట్‌మెంట్ బ్రైన్‌లో మునిగి ఉన్న గ్రాఫైట్ లేదా డైమెన్షనల్లీ స్టేబుల్ ఆనోడ్‌లను (DSA, ఉదాహరణకు, RuO₂/TiO₂ పూత పూసిన టైటానియం) కలిగి ఉంటుంది. కాథోడ్ రంధ్రాలు గల స్టీల్ ప్లేట్. డయాఫ్రాగమ్ రెండు కంపార్ట్‌మెంట్‌లను వేరు చేస్తుంది.
• చర్యలు:
  • ఆనోడ్ వద్ద (ఆక్సీకరణం): క్లోరైడ్ అయాన్‌లు ఆక్సీకరణం చెందుతాయి. 2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻
  • కాథోడ్ వద్ద (క్షయకరణం): Na⁺ అయాన్‌లకు బదులుగా నీరు క్షయకరణం చెందుతుంది (సజల ద్రావణంలో Na నిక్షేపణకు అధిక ఓవర్‌పొటెన్షియల్ కారణంగా). 2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq)
  • మొత్తం చర్య: 2NaCl(aq) + 2H₂O(l) → Cl₂(g) + H₂(g) + 2NaOH(aq)
• ఉత్పత్తులు: క్లోరిన్ వాయువు (ఆనోడ్ వద్ద), హైడ్రోజన్ వాయువు (కాథోడ్ వద్ద), మరియు సోడియం హైడ్రాక్సైడ్ యొక్క పలుచని ద్రావణం (చర్య చేయని NaCl ను కలిగి ఉంటుంది). NaOH ద్రావణానికి ఉప్పును తొలగించడానికి మరింత సాంద్రీకరణ మరియు శుద్ధి అవసరం.
• ప్రయోజనాలు: మెర్క్యూరీ కణాల కంటే తక్కువ శక్తి అవసరం; మెర్క్యూరీ కాలుష్యాన్ని నివారిస్తుంది.
• నష్టాలు: తక్కువ స్వచ్ఛమైన మరియు పలుచని NaOH ద్రావణాన్ని ఉత్పత్తి చేస్తుంది, దీనికి మరింత శుద్ధి అవసరం.

2. మెర్క్యూరీ కణం (కాస్ట్‌నర్-కెల్‌నర్ కణం)

• సూత్రం: ప్రవహించే మెర్క్యూరీ కాథోడ్‌ను ఉపయోగించి సజల NaCl ద్రావణం యొక్క విద్యుద్విశ్లేషణ, ఇది సోడియంతో అమాల్గమ్‌ను ఏర్పరుస్తుంది. ఇది ప్రధాన విద్యుద్విశ్లేషణ కణం నుండి NaOH ఉత్పత్తిని వేరు చేస్తుంది, అధిక స్వచ్ఛత గల ఉత్పత్తులకు వీలు కల్పిస్తుంది.
• అమరిక: ఆనోడ్‌లు (గ్రాఫైట్ లేదా DSA) బ్రైన్‌లో ప్రవహించే మెర్క్యూరీ పొర పైన వేలాడదీయబడి ఉంటాయి, మెర్క్యూరీ కాథోడ్‌గా పనిచేస్తుంది. కణం కొద్దిగా వంచి ఉంటుంది.
• చర్యలు:
  • ఆనోడ్ వద్ద (ఆక్సీకరణం): 2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻
  • మెర్క్యూరీ కాథోడ్ వద్ద (క్షయకరణం): సోడియం అయాన్‌లు క్షయకరణం చెంది మెర్క్యూరీలో కరిగి సోడియం అమాల్గమ్‌ను ఏర్పరుస్తాయి. Na⁺(aq) + e⁻ + Hg(l) → Na-Hg(l) (సోడియం అమాల్గమ్)
  • విఘటనకారి (సెకండరీ కణం): సోడియం అమాల్గమ్ ఒక ప్రత్యేక విఘటనకారిలోకి ప్రవహిస్తుంది, అక్కడ అది గ్రాఫైట్ ఉత్ప్రేరకం సమక్షంలో నీటితో చర్య జరిపి అధిక స్వచ్ఛత గల NaOH మరియు H₂ లను ఉత్పత్తి చేస్తుంది. మెర్క్యూరీ పునరుత్పత్తి చేయబడి పునర్వినియోగించబడుతుంది. 2Na-Hg(l) + 2H₂O(l) → 2NaOH(aq) + H₂(g) + 2Hg(l)
• ఉత్పత్తులు: అధిక స్వచ్ఛత గల క్లోరిన్ వాయువు, అధిక స్వచ్ఛత మరియు సాంద్రీకృత సోడియం హైడ్రాక్సైడ్ ద్రావణం, మరియు హైడ్రోజన్ వాయువు.
• ప్రయోజనాలు: చాలా స్వచ్ఛమైన మరియు సాంద్రీకృత NaOH ను ఉత్పత్తి చేస్తుంది.
• నష్టాలు: అధిక శక్తి వినియోగం; మెర్క్యూరీ లీకేజీ కారణంగా గణనీయమైన పర్యావరణ ఆందోళనలు, అనేక ప్రాంతాలలో దీనిని నిలిపివేయడానికి దారితీసింది.

3. పొర కణం (అయాన్-ఎక్స్ఛేంజ్ పొర కణం)

• సూత్రం: కాటయాన్-మార్పిడి పొరను (ఉదాహరణకు, నాఫియాన్) ఉపయోగిస్తుంది, ఇది Na⁺ అయాన్‌లను ఆనోడ్ కంపార్ట్‌మెంట్ నుండి కాథోడ్ కంపార్ట్‌మెంట్‌కు ఎంపికగా వెళ్ళడానికి అనుమతిస్తుంది, అయితే Cl⁻ మరియు OH⁻ అయాన్‌ల వలసను నిరోధిస్తుంది. ఇది వేరుగా, అధిక స్వచ్ఛత గల ఉత్పత్తులను నిర్ధారిస్తుంది.
• అమరిక: కణం కాటయాన్-మార్పిడి పొర ద్వారా రెండు కంపార్ట్‌మెంట్‌లుగా విభజించబడింది. బ్రైన్ ఆనోడ్ కంపార్ట్‌మెంట్‌కు (DSA ఆనోడ్) పంపబడుతుంది. స్వచ్ఛమైన నీరు కాథోడ్ కంపార్ట్‌మెంట్‌కు (నికెల్ కాథోడ్) పంపబడుతుంది.
• చర్యలు:
  • ఆనోడ్ వద్ద (ఆక్సీకరణం): 2Cl⁻(aq) → Cl₂(g) + 2e⁻
  • కాథోడ్ వద్ద (క్షయకరణం): నీరు క్షయకరణం చెందుతుంది. 2H₂O(l) + 2e⁻ → H₂(g) + 2OH⁻(aq)
  • పొర పనితీరు: Na⁺ అయాన్‌లు ఆనోడ్ కంపార్ట్‌మెంట్ నుండి కాథోడ్ కంపార్ట్‌మెంట్‌కు పొర ద్వారా వలసపోతాయి, అక్కడ అవి OH⁻ అయాన్‌లతో కలిసి NaOH ను ఏర్పరుస్తాయి.
  • మొత్తం చర్య: 2NaCl(aq) + 2H₂O(l) → Cl₂(g) + H₂(g) + 2NaOH(aq)
• ఉత్పత్తులు: అధిక స్వచ్ఛత గల క్లోరిన్ వాయువు, అధిక స్వచ్ఛత మరియు సాంద్రీకృత సోడియం హైడ్రాక్సైడ్ ద్రావణం, మరియు హైడ్రోజన్ వాయువు.
• ప్రయోజనాలు: అత్యంత పర్యావరణ అనుకూలమైన మరియు శక్తి-సమర్థవంతమైన పద్ధతి. చాలా స్వచ్ఛమైన మరియు సాంద్రీకృత NaOH ను ఉత్పత్తి చేస్తుంది. ఆధునిక పారిశ్రామిక ప్లాంట్లలో విస్తృతంగా అవలంబించబడింది.

డీకన్ ప్రక్రియ (చారిత్రక/చిన్న)

• ఈ ప్రక్రియ హైడ్రోజన్ క్లోరైడ్ (HCl) వాయువును గాలి (ఆక్సిజన్) తో ఉత్ప్రేరక ఆక్సీకరణం చెందించి క్లోరిన్‌ను ఉత్పత్తి చేస్తుంది.
• 4HCl(g) + O₂(g) ⇌ 2Cl₂(g) + 2H₂O(g)
• ఉత్ప్రేరకం: CuCl₂ 400-450 °C వద్ద.
• ఇది క్లోరిన్‌ను దాని సహజ వనరుల నుండి సంగ్రహించడానికి ప్రాథమిక పద్ధతి కాదు, బదులుగా ఉప-ఉత్పత్తి HCl నుండి క్లోరిన్‌ను తిరిగి పొందడానికి ఒక మార్గం.

క్లోరిన్ శుద్ధీకరణ మరియు శుద్ధి

విద్యుద్విశ్లేషణ కణాల నుండి నేరుగా లభించిన క్లోరిన్ వాయువు తరచుగా మలినాలను, ప్రధానంగా తేమను మరియు కొన్నిసార్లు హైడ్రోజన్ వాయువును (ముఖ్యంగా డయాఫ్రాగమ్ కణాల నుండి) కలిగి ఉంటుంది. పారిశ్రామిక ఉపయోగం మరియు సురక్షిత నిల్వ కోసం దీనిని శుద్ధి చేసి ఎండబెట్టాలి.

1. శీతలీకరణ: క్లోరిన్ వాయువును మొదట చల్లబరుస్తారు, అందులో ఉన్న చాలా నీటి ఆవిరిని ద్రవీకరించడానికి.
2. ఎండబెట్టడం (Drying): చల్లబరచిన క్లోరిన్ వాయువును సిరామిక్ రింగులతో నిండిన టవర్ల గుండా పంపిస్తారు, అక్కడ అది సాంద్రీకృత సల్ఫ్యూరిక్ ఆమ్లం (H₂SO₄) కు వ్యతిరేక దిశలో ప్రవహిస్తుంది. సాంద్రీకృత సల్ఫ్యూరిక్ ఆమ్లం ఒక బలమైన నిర్జలీకరణ కారకం మరియు క్లోరిన్ వాయువు నుండి మిగిలిన తేమను సమర్థవంతంగా తొలగిస్తుంది.
3. హైడ్రోజన్ వేరుచేయడం (ఉన్నట్లయితే): ఎండబెట్టిన తర్వాత, క్లోరిన్ వాయువును మరింత శుద్ధి చేయవచ్చు. హైడ్రోజన్ ఉన్నట్లయితే, దానిని సాధారణంగా ద్రవీకరణం ద్వారా వేరు చేస్తారు.
4. ద్రవీకరణం (Liquefaction): పొడి క్లోరిన్ వాయువును సంపీడనం చేసి, దాదాపు -40 °C (లేదా పీడనాన్ని బట్టి తక్కువ) వరకు మరింత చల్లబరుస్తారు. హైడ్రోజన్ (మరియు ఇతర ద్రవీకరణం చెందని వాయువులు) వాయు రూపంలోనే ఉండి వేరు చేయబడతాయి.
5. నిల్వ: ద్రవీకరించిన క్లోరిన్‌ను రవాణా మరియు పారిశ్రామిక ఉపయోగం కోసం ఒత్తిడితో కూడిన ఉక్కు సిలిండర్‌లు, కంటైనర్‌లు లేదా రైల్వే ట్యాంక్ కార్లలో నిల్వ చేస్తారు.