ఆక్సిజన్ (O) పారిశ్రామిక ఉత్పత్తి

ఆక్సిజన్ (O) ఒక అలోహ మూలకం మరియు ప్రామాణిక ఉష్ణోగ్రత మరియు పీడనం వద్ద వాయురూపంలో ఉండే ఒక అనుఘటకం. ఖనిజాల నుండి లోహాలను సంగ్రహించడం వంటి లోహ సంగ్రహణ ప్రక్రియలు దీని పారిశ్రామిక ఉత్పత్తిలో ఉండవు. బదులుగా, ఇది గాలి మరియు నీరు వంటి సులభంగా లభించే వనరుల నుండి ఉత్పత్తి అవుతుంది.

సహజ లభ్యత

ఆక్సిజన్ భూమి యొక్క పైపొరలో ద్రవ్యరాశి ప్రకారం అత్యంత సమృద్ధిగా లభించే మూలకం, సమ్మేళనాలను ఏర్పరుస్తుంది మరియు ఘనపరిమాణం ప్రకారం వాతావరణంలో రెండవ అత్యంత సమృద్ధిగా లభించే వాయువు.

• వాతావరణం: ఘనపరిమాణం ప్రకారం దాదాపు 21% డైఅటామిక్ ఆక్సిజన్ (O₂) రూపంలో.
• జలగోళం: నీటిలో (H₂O) ఒక ప్రధాన అనుఘటకం.
• శిలావరణం: అనేక ఆక్సైడ్ ఖనిజాలలో (ఉదాహరణకు, సిలికేట్లు, కార్బొనేట్లు, ఇనుము ఆక్సైడ్‌లు) ఉంటుంది. అయితే, ఇవి లోహ సంగ్రహణ అర్థంలో ఆక్సిజన్ వెలికితీతకు “ఖనిజాలు”గా పరిగణించబడవు.

పారిశ్రామిక ఉత్పత్తి పద్ధతులు

ఆక్సిజన్‌ను పొందటానికి ప్రధాన పారిశ్రామిక పద్ధతులు:

1. ద్రవ గాలి యొక్క పాక్షిక స్వేదనం (క్రయోజెనిక్ గాలి విభజన)

అధిక-శుద్ధత గల ఆక్సిజన్, నైట్రోజన్ మరియు ఆర్గాన్‌ల పెద్ద ఎత్తున ఉత్పత్తికి ఇది అత్యంత సాధారణ మరియు ఆర్థిక పద్ధతి.

ప్రక్రియ దశలు:

1. గాలి ముందస్తు శుద్ధి:

   • వాతావరణ గాలిని లోపలికి పీల్చి, ధూళి కణాలను తొలగించడానికి వడపోస్తారు.
   • తరువాత దీనిని అధిక పీడనానికి (సాధారణంగా 5-10 MPa) కుదిస్తారు.
   • కార్బన్ డయాక్సైడ్ (CO₂) మరియు నీటి ఆవిరి (H₂O) తొలగించడానికి కుదించబడిన గాలిని మాలిక్యులర్ సీవ్‌లు లేదా యాక్టివేటెడ్ అల్యూమినా కలిగిన శోషకాల (adsorbers) ద్వారా పంపిస్తారు. ఈ మలినాలు క్రయోజెనిక్ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద గడ్డకట్టి, పరికరాలను నిరోధిస్తాయి.

2. గాలి ద్రవీకరణ:

   • శుద్ధి చేయబడిన, కుదించబడిన గాలిని హీట్ ఎక్స్ఛేంజర్ల ద్వారా పంపడం ద్వారా గణనీయంగా చల్లబరుస్తారు, తరచుగా స్వేదనం ప్రక్రియ నుండి వచ్చే చల్లని ఉత్పత్తులను (నైట్రోజన్ మరియు ఆక్సిజన్) ఉపయోగిస్తారు.
   • మరింత శీతలీకరణ మరియు విస్తరణ (ఉదాహరణకు, జౌల్-థామ్సన్ ఎక్స్పాండర్ లేదా విస్తరణ టర్బైన్ ద్వారా) గాలి ద్రవీకరణకు దారితీస్తుంది. ద్రవ గాలి ప్రధానంగా ద్రవ నైట్రోజన్ (మరుగు స్థానం -196 °C) మరియు ద్రవ ఆక్సిజన్ (మరుగు స్థానం -183 °C) మిశ్రమం.

3. పాక్షిక స్వేదనం:

   • ద్రవ గాలిని పాక్షిక స్వేదనం కాలమ్‌లోకి పంపిస్తారు, ఇది సాధారణంగా డబుల్ కాలమ్ సిస్టమ్ (అధిక-పీడనం మరియు తక్కువ-పీడనం కాలమ్‌లు).
   • అధిక-పీడనం కాలమ్: ద్రవ గాలి ఈ కాలమ్‌లోకి ప్రవేశిస్తుంది. తక్కువ మరుగు స్థానం (-196 °C) కలిగిన నైట్రోజన్ మరింత సులభంగా ఆవిరి అవుతుంది మరియు పైకి లేస్తుంది, అయితే అధిక మరుగు స్థానం (-183 °C) కలిగిన ఆక్సిజన్ ద్రవ స్థితిలో ఉండి దిగువన సేకరించబడుతుంది. మధ్యలో ఆర్గాన్-రిచ్ ఫ్రాక్షన్ (భాగం) ను తీయవచ్చు.
   • తక్కువ-పీడనం కాలమ్: అధిక-పీడనం కాలమ్ నుండి పాక్షికంగా వేరు చేయబడిన ప్రవాహాలు తక్కువ-పీడనం కాలమ్‌లో మరింత వేరు చేయబడతాయి. ద్రవ ఆక్సిజన్ (సాధారణంగా 99.5% స్వచ్ఛమైనది) దిగువన సేకరించబడుతుంది, అయితే వాయు నైట్రోజన్ (99.99% స్వచ్ఛమైనది) పైభాగం నుండి బయటకు వస్తుంది. అవసరమైతే మరింత శుద్ధి చేసిన తర్వాత వాయు ఆక్సిజన్‌ను కూడా తక్కువ-పీడనం కాలమ్ పైభాగం నుండి తీసుకోవచ్చు.

స్వచ్ఛత మరియు అనువర్తనాలు:

• ఈ పద్ధతి ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఆక్సిజన్ 99.5% కంటే ఎక్కువ స్వచ్ఛత స్థాయిలను సాధించగలదు.
• ఉక్కు తయారీ, రసాయన సంశ్లేషణ, వైద్య అనువర్తనాలు, వెల్డింగ్ మరియు రాకెట్రీలో ఉపయోగిస్తారు.

2. నీటి విద్యుద్విశ్లేషణ

ఈ పద్ధతి చిన్న-స్థాయి ఉత్పత్తికి లేదా అధిక స్వచ్ఛత అవసరమైన చోట, మరియు విద్యుత్తు సమృద్ధిగా మరియు చౌకగా లభించే చోట అనుకూలంగా ఉంటుంది.

సూత్రం:

నీటి (H₂O) ద్వారా విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని పంపడం ద్వారా అది హైడ్రోజన్ వాయువు (H₂) మరియు ఆక్సిజన్ వాయువు (O₂) గా విడగొట్టబడుతుంది.

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

ప్రక్రియ అమరిక:

• ఒక విద్యుద్విశ్లేషణ కణం సాధారణంగా రెండు జడ ఎలక్ట్రోడ్‌లను (ఉదాహరణకు, ప్లాటినం, నికెల్ లేదా స్టెయిన్‌లెస్ స్టీల్) కలిగి ఉంటుంది, ఇవి నీటి విద్యుద్విశ్లేషణ ద్రవంలో (aqueous electrolyte) మునిగి ఉంటాయి.
• నీటి విద్యుత్ వాహకతను పెంచడానికి విద్యుద్విశ్లేషణ ద్రవం తరచుగా ఒక ఆమ్లం (ఉదాహరణకు, సల్ఫ్యూరిక్ ఆమ్లం) లేదా ఒక క్షారం (ఉదాహరణకు, పొటాషియం హైడ్రాక్సైడ్) ద్రావణం అయి ఉంటుంది.

ఎలక్ట్రోడ్ చర్యలు:

• ఆనోడ్ వద్ద (ధన ఎలక్ట్రోడ్): ఆక్సీకరణం జరుగుతుంది మరియు ఆక్సిజన్ వాయువు ఉత్పత్తి అవుతుంది. $2H_2O(l) \longrightarrow O_2(g) + 4H^+(aq) + 4e^-$ (ఆమ్ల మాధ్యమంలో) or $4OH^-(aq) \longrightarrow O_2(g) + 2H_2O(l) + 4e^-$ (క్షార మాధ్యమంలో)

• కాథోడ్ వద్ద (రుణ ఎలక్ట్రోడ్): క్షయీకరణం జరుగుతుంది మరియు హైడ్రోజన్ వాయువు ఉత్పత్తి అవుతుంది. $4H^+(aq) + 4e^- \longrightarrow 2H_2(g)$ (ఆమ్ల మాధ్యమంలో) or $4H_2O(l) + 4e^- \longrightarrow 2H_2(g) + 4OH^-(aq)$ (క్షార మాధ్యమంలో)

స్వచ్ఛత మరియు అనువర్తనాలు:

• విద్యుద్విశ్లేషణ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఆక్సిజన్ సాధారణంగా చాలా స్వచ్ఛమైనది (99.999% వరకు), ఇది అధిక స్వచ్ఛత అత్యవసరం అయిన ప్రత్యేక అనువర్తనాలకు అనుకూలంగా ఉంటుంది.
• వైద్య మరియు ఔషధ పరిశ్రమలలో, ప్రయోగశాలలలో మరియు ఇంధన కణాలలో ఒక అనుఘటకం వలె ఉపయోగిస్తారు.

నిల్వ మరియు రవాణా

పారిశ్రామిక ఆక్సిజన్‌ను వివిధ రూపాల్లో నిల్వ చేసి రవాణా చేస్తారు:

• కుదించబడిన వాయువు: అధిక-పీడనం గల ఉక్కు సిలిండర్లలో (వాయు ఆక్సిజన్, O₂ కోసం) 200 బార్ వరకు పీడనం వద్ద.
• ద్రవ ఆక్సిజన్ (LOX): పెద్ద ఎత్తున నిల్వ మరియు రవాణా కోసం ఇన్సులేటెడ్ క్రయోజెనిక్ ట్యాంకులలో (డివార్స్), ఎందుకంటే ద్రవ ఆక్సిజన్ వాయు ఆక్సిజన్ కంటే గణనీయంగా తక్కువ ఘనపరిమాణాన్ని ఆక్రమిస్తుంది.
• ఆన్-సైట్ ఉత్పత్తి: చాలా పెద్ద వినియోగదారుల కోసం, ఆక్సిజన్ ఉత్పత్తి ప్లాంట్లు (క్రయోజెనిక్ లేదా PSA/VPSA) తరచుగా వినియోగదారుని సౌకర్యం వద్దనే నిర్మించబడతాయి.