నత్రజని (N) పారిశ్రామిక వెలికితీత

సహజ లభ్యత & ప్రధాన వనరులు

నత్రజని (N) ఒక అలోహ మూలకం, ఇది ప్రధానంగా వాయు రూపంలో లభిస్తుంది. లోహాల వలె ఇది సంప్రదాయ “ధాతువుల” రూపంలో ఉండదు.

వాతావరణ నత్రజని (N₂)

• ప్రాథమిక వనరు: భూమి వాతావరణంలో ఘనపరిమాణం ప్రకారం సుమారు 78% డైనైట్రోజన్ (N₂) ఉంటుంది. ఇది అత్యంత ముఖ్యమైన పారిశ్రామిక వనరు.

అకర్బన నత్రజని సమ్మేళనాలు

• నైట్రేట్‌లు: సహజంగా లభించే నైట్రేట్ లవణాల రూపంలో ఉంటుంది, అవి:
  • చిలీ సాల్ట్‌పీటరు: సోడియం నైట్రేట్ (NaNO₃)
  • ఇండియన్ సాల్ట్‌పీటరు: పొటాషియం నైట్రేట్ (KNO₃)
  • ఇవి నత్రజని సమ్మేళనాలకు వనరులు, కానీ సాధారణంగా మూలక N₂ ను వెలికితీయడానికి కాదు.

కర్బన నత్రజని సమ్మేళనాలు

• అన్ని జీవులలో (ప్రొటీన్లు, న్యూక్లియిక్ ఆమ్లాలు, అమైనో ఆమ్లాలు) కనిపిస్తాయి. ఇవి మూలక N₂ కోసం పారిశ్రామిక వనరులు కావు.

గాలి నుండి నత్రజని పారిశ్రామిక వెలికితీత

మూలక నత్రజని (N₂) యొక్క పారిశ్రామిక వెలికితీత వాతావరణ గాలి నుండి దానిని వేరుచేయడంపై దృష్టి పెడుతుంది. ఈ ప్రక్రియ గాలిని ద్రవీకరించడం, ఆపై పాక్షిక స్వేదనం చేయడం ద్వారా జరుగుతుంది. సర్వసాధారణ పద్ధతి లిండే-ఫ్రాంక్ల్ ప్రక్రియ లేదా దానిలోని మార్పులు.

1. గాలిని సిద్ధం చేయడం (పూర్వ-చికిత్స)

వాతావరణ గాలిని ద్రవీకరణకు ముందు శుద్ధి చేయాలి, తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద మలినాలు గడ్డకట్టడం వల్ల కలిగే అడ్డంకులను నివారించడానికి.

• దుమ్ము తొలగింపు: గాలిలోని కణ పదార్థాన్ని తొలగించడానికి వడపోత చేస్తారు.
• కార్బన్ డయాక్సైడ్ (CO₂) తొలగింపు: CO₂ ను స్క్రబ్బర్ల ద్వారా గాలిని పంపడం ద్వారా తొలగిస్తారు, వీటిలో ఇవి ఉంటాయి:
  • కాస్టిక్ సోడా (NaOH) ద్రావణం: 2NaOH(aq) + CO₂(g) → Na₂CO₃(aq) + H₂O(l)
  • లేదా, మాలిక్యులర్ సీవ్‌లపై అధిశోషణం ద్వారా.
• నీటి ఆవిరి (H₂O) తొలగింపు: తేమను దీని ద్వారా తొలగిస్తారు:
  • నీటిని ఘనీభవించడానికి గాలిని చల్లబరచడం.
  • యాక్టివేటెడ్ అల్యూమినా (Al₂O₃) లేదా సిలికా జెల్ (SiO₂) వంటి డెసికెంట్ల ద్వారా పంపడం.
  • మాలిక్యులర్ సీవ్‌లను ఉపయోగించడం.

2. గాలిని ద్రవీకరించడం

శుద్ధి చేయబడిన గాలిని జూల్-థామ్సన్ ప్రభావంపై ఆధారపడి, ద్రవీకరణను సాధించడానికి పదేపదే చల్లబరచి, సంపీడనం చేస్తారు.

• సంపీడనం: గాలిని అధిక పీడనాలకు (ఉదా., 100-200 atm) సంపీడనం చేస్తారు.
• శీతలీకరణ: సంపీడనం చేయబడిన గాలిని శీతలీకరణ కారకాల ద్వారా లేదా ఉష్ణ వినిమయకారులలో గతంలో చల్లబరచిన గాలిని విస్తరింపజేయడం ద్వారా చల్లబరుస్తారు.
• విస్తరణ (జూల్-థామ్సన్ ప్రభావం): అధికంగా సంపీడనం చేయబడిన, చల్లబరచిన గాలిని విస్తరణ వాల్వ్ ద్వారా వేగంగా విస్తరింపజేయడానికి అనుమతిస్తారు. ఈ ఆకస్మిక విస్తరణ ఉష్ణోగ్రతలో గణనీయమైన తగ్గుదలకు కారణమవుతుంది.
  • ప్రక్రియ ప్రవాహ వివరణ:
    1. వడపోసిన మరియు శుద్ధి చేయబడిన గాలిని కంప్రెసర్ ద్వారా సంపీడనం చేస్తారు.
    2. వేడి సంపీడనం చేయబడిన గాలిని ఉష్ణ వినిమయకారులలో లోపలికి వచ్చే చల్లని వాయు ప్రవాహాల ద్వారా చల్లబరుస్తారు.
    3. ఇప్పటికే చల్లబడిన, విస్తరించే వాయువుతో ఉష్ణాన్ని మార్పిడి చేసుకున్నప్పుడు మరింత శీతలీకరణ జరుగుతుంది.
    4. ముందుగా చల్లబడిన, అధిక పీడనం గల గాలి విస్తరణ వాల్వ్ గుండా వెళుతుంది, అక్కడ అది జూల్-థామ్సన్ ప్రభావం కారణంగా వేగంగా విస్తరించి గణనీయంగా చల్లబడుతుంది.
    5. ఈ దశలో గాలిలోని కొంత భాగం ద్రవీకృతమవుతుంది. ద్రవీకృతం కాని వాయువు లోపలికి వచ్చే సంపీడనం చేయబడిన గాలిని చల్లబరచడానికి ఉష్ణ వినిమయకారుల ద్వారా వెనుకకు పంపబడుతుంది, ఆపై కంప్రెసర్ ద్వారా రీసైకిల్ చేయబడుతుంది.
    6. ద్రవ గాలి ద్రవీకరణ కాలమ్ అడుగున సేకరించబడుతుంది.

3. ద్రవ గాలి యొక్క పాక్షిక స్వేదనం (ఘటకాల వేరుచేయుట)

ద్రవ నత్రజని (మరిగే స్థానం -196 °C), ద్రవ ఆక్సిజన్ (మరిగే స్థానం -183 °C), మరియు ద్రవ ఆర్గాన్ (మరిగే స్థానం -186 °C) ల మిశ్రమం అయిన ద్రవ గాలిని పాక్షిక స్వేదనం చేస్తారు.

• సూత్రం: ఈ వేరుచేయుట ఘటకాల యొక్క మరిగే స్థానాల తేడాపై ఆధారపడి ఉంటుంది. తక్కువ మరిగే స్థానం గల నత్రజని మొదట ఆవిరి అవుతుంది.
• స్వేదన కాలమ్: ఒక పొడవైన ఫ్రాక్షనేటింగ్ కాలమ్ ఉపయోగించబడుతుంది, ఇది సాధారణంగా తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద పనిచేస్తుంది.
  • ప్రక్రియ ప్రవాహ వివరణ:
    1. ద్రవ గాలిని ఫ్రాక్షనేటింగ్ కాలమ్ మధ్య భాగం దగ్గర ప్రవేశపెడతారు.
    2. ద్రవం క్రిందికి దిగుతున్నప్పుడు, అది పైకి వచ్చే ఆవిరుల ద్వారా వేడి చేయబడుతుంది.
    3. నత్రజని, మరింత బాష్పీభవనశీలత కలిగి ఉండటం వలన, ప్రాధాన్యంగా ఆవిరి అయి కాలమ్ పైభాగానికి చేరుకుంటుంది.
    4. ఆక్సిజన్, అధిక మరిగే స్థానం కలిగి ఉండటం వలన, కాలమ్ అడుగున ద్రవంగా కేంద్రీకృతమవుతుంది. ఆర్గాన్, మధ్యస్థ మరిగే స్థానం కలిగి ఉండటం వలన, నత్రజని మరియు ఆక్సిజన్ మధ్య ఒక భాగంలో కేంద్రీకృతమవుతుంది.
    5. శుద్ధ వాయు నత్రజని (N₂) కాలమ్ పైభాగం నుండి సేకరించబడుతుంది.
    6. వాయు ఆక్సిజన్ (O₂) అడుగు నుండి సేకరించబడుతుంది.
    7. అవసరమైతే, మరింత శుద్ధి కోసం ఆర్గాన్ మధ్య భాగం నుండి సేకరించబడుతుంది.

శుద్ధి మరియు స్వచ్ఛత పెంపు

ఫ్రాక్షనేటింగ్ కాలమ్ పైభాగం నుండి పొందిన నత్రజని ఇప్పటికే చాలా స్వచ్ఛంగా ఉంటుంది (సాధారణంగా >99.5%). ఇంకా అధిక స్వచ్ఛత అవసరాల కోసం, అదనపు చర్యలను ఉపయోగించవచ్చు:

• మరింత పాక్షిక స్వేదనం: నత్రజని వాయువు లేదా ద్రవాన్ని తిరిగి స్వేదనం చేయడం ద్వారా స్వల్ప ఆక్సిజన్ లేదా ఆర్గాన్‌ను తొలగించడం ద్వారా స్వచ్ఛతను పెంచవచ్చు.
• ఉత్ప్రేరక డీఆక్సిజనేషన్: అత్యధిక స్వచ్ఛత గల నత్రజని (ఉదా., 99.999%) కోసం, స్వల్ప ఆక్సిజన్‌ను తొలగించడానికి నత్రజనిని తక్కువ మొత్తంలో హైడ్రోజన్ సమక్షంలో ఒక ఉత్ప్రేరకం (ఉదా., పల్లాడియం) మీదుగా పంపడం ద్వారా నీటిని ఏర్పరుస్తారు: 2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g). నీటిని అప్పుడు అధిశోషణం ద్వారా తొలగిస్తారు.
• అధిశోషణం: మిగిలిపోయిన స్వల్ప మలినాలను తొలగించడానికి మాలిక్యులర్ సీవ్‌లు లేదా యాక్టివేటెడ్ కార్బన్‌ను ఉపయోగించడం.

శుద్ధి చేయబడిన నత్రజనిని అప్పుడు సంపీడనం చేసి సిలిండర్లలో నిల్వ చేస్తారు లేదా ద్రవ నత్రజని రూపంలో ఇన్సులేటెడ్ క్రయోజెనిక్ ట్యాంకులలో రవాణా చేస్తారు.