సోడియం (Na) యొక్క లోహ సంగ్రహణ మరియు పారిశ్రామిక వెలికితీత

ప్రకృతిలో లభ్యత & ప్రధాన ఖనిజాలు

సోడియం అత్యంత క్రియాశీలక క్షార లోహం, అందువల్ల ఇది ప్రకృతిలో స్వేచ్ఛా, మూలక రూపంలో ఎప్పుడూ కనిపించదు. ఇది ఎల్లప్పుడూ వివిధ ఖనిజాలలో మరియు సముద్రపు నీటిలో కరిగిన సంయోగ రూపాలలో ఉంటుంది.

• సోడియం క్లోరైడ్ (సాధారణ ఉప్పు లేదా హాలైట్): NaCl (రాతి ఉప్పు నిక్షేపాలుగా మరియు సముద్రపు నీటిలో కరిగిన స్థితిలో లభిస్తుంది). పారిశ్రామిక వెలికితీతకు ఇది ప్రధాన వనరు.
• సోడియం కార్బోనేట్ (వాషింగ్ సోడా లేదా ట్రోనా): Na₂CO₃·10H₂O (వాషింగ్ సోడా) లేదా Na₂CO₃·NaHCO₃·2H₂O (ట్రోనా).
• సోడియం నైట్రేట్ (చిలీ సాల్ట్‌పెట్రే): NaNO₃.
• సోడియం సల్ఫేట్ (గ్లాబర్స్ సాల్ట్): Na₂SO₄·10H₂O.
• బోరాక్స్: Na₂B₄O₇·10H₂O.
• క్రయోలైట్: Na₃AlF₆.

ఖనిజ సాంద్రీకరణ

సోడియం పారిశ్రామిక వెలికితీత కోసం, ప్రధాన ఖనిజం సోడియం క్లోరైడ్ (NaCl). సాంద్రీకరణ పద్ధతులు వనరుపై ఆధారపడి ఉంటాయి:

• సముద్రపు నీటి నుండి: సముద్రపు నీటిలో ద్రవ్యరాశి ప్రకారం సుమారు 2.7% NaCl ఉంటుంది. సౌర బాష్పీభవనం ద్వారా సాంద్రీకరణ జరుగుతుంది, ఇది ముడి ఉప్పు స్ఫటికీకరణకు దారితీస్తుంది.
• రాతి ఉప్పు నిక్షేపాల నుండి: రాతి ఉప్పు అనేది NaCl యొక్క ఖనిజ రూపం, ఇది నేరుగా భూగర్భ నిక్షేపాల నుండి త్రవ్వబడుతుంది. ఇది తరచుగా ఇప్పటికే చాలా స్వచ్ఛంగా ఉంటుంది, వెలికితీత ప్రక్రియలో ఉపయోగించే ముందు కనీస లేదా అదనపు సాంద్రీకరణ దశలు అవసరం లేదు.
• ముడి ఉప్పు శుద్ధీకరణ: సముద్రపు నీరు లేదా త్రవ్వకం నుండి పొందిన ముడి ఉప్పులో MgCl₂ మరియు CaCl₂ వంటి మలినాలు ఉండవచ్చు. ఇవి అధిక తేమను పీల్చుకునేవి (హైగ్రోస్కోపిక్) మరియు ఉప్పును డెలిక్వసెంట్ గా చేస్తాయి. ముడి ఉప్పును తక్కువ నీటిలో కరిగించి, కరగని మలినాలను తొలగించడానికి వడపోసి, ఆపై సంతృప్త ద్రావణం గుండా HCl వాయువును పంపడం ద్వారా శుద్ధీకరణ చేయవచ్చు. MgCl₂ మరియు CaCl₂ కంటే NaCl తక్కువ కరుగుతుంది కాబట్టి, సాధారణ అయాన్ ప్రభావం కారణంగా ఇది స్వచ్ఛమైన NaCl ను అవక్షేపిస్తుంది.

ముడి లోహంగా క్షయకరణం

సోడియం దాని అత్యంత అధిక ధనవిద్యుత్ ధర్మం (ఎలక్ట్రోపాజిటివిటీ) మరియు బలమైన క్షయకరణ స్వభావం కారణంగా, రసాయన క్షయకరణ పద్ధతుల ద్వారా (ఉదాహరణకు, కార్బన్‌ను ఉపయోగించి) వెలికితీయబడదు. ఇది నీటితో కూడా అత్యంత క్రియాశీలకమైనది, ఇది జల విద్యుద్విశ్లేషణను ఆచరణీయం కానిదిగా చేస్తుంది. పారిశ్రామిక వెలికితీత ప్రత్యేకంగా ద్రవీకృత సోడియం క్లోరైడ్ విద్యుద్విశ్లేషణ ద్వారా జరుగుతుంది.

డౌన్స్ పద్ధతి

సోడియం లోహం ఉత్పత్తికి డౌన్స్ పద్ధతి అత్యంత సాధారణ పారిశ్రామిక పద్ధతి.

సూత్రం:

ద్రవీకృత NaCl విద్యుద్విశ్లేషణ, తరచుగా ద్రవీభవన స్థానాన్ని తగ్గించడానికి ఇతర లవణాలతో కలిపి, కాథోడ్ వద్ద సోడియం లోహాన్ని మరియు ఆనోడ్ వద్ద క్లోరిన్ వాయువును ఉత్పత్తి చేస్తుంది.

డౌన్స్ సెల్ వివరణ:

డౌన్స్ సెల్ ఒక వృత్తాకార సెల్, ఇందులో ఇవి ఉంటాయి:

• గ్రాఫైట్ ఆనోడ్: కేంద్రంలో ఉంటుంది.
• ఐరన్ కాథోడ్: స్థూపాకార ఆకారంలో, ఆనోడ్ చుట్టూ ఉంటుంది.
• స్టీల్ గాజ్ డయాఫ్రమ్: ఆనోడ్ మరియు కాథోడ్ కంపార్ట్‌మెంట్‌లను వైర్ గాజ్ డయాఫ్రమ్ వేరు చేస్తుంది. ఈ డయాఫ్రమ్ ద్రవీకృత సోడియం (కాథోడ్ వద్ద ఉత్పత్తి అవుతుంది) మరియు క్లోరిన్ వాయువు (ఆనోడ్ వద్ద ఉత్పత్తి అవుతుంది) తిరిగి కలవకుండా నిరోధిస్తుంది, అవి పేలుడుతో చర్య జరుపుతాయి.
• బాహ్య షెల్: రిఫ్రాక్టరీ లైనింగ్‌తో కూడిన స్టీల్ పాత్ర.

ఎలక్ట్రోలైట్:

• ఎలక్ట్రోలైట్ NaCl, CaCl₂, మరియు/లేదా BaCl₂ మిశ్రమాన్ని కలిగి ఉంటుంది.
• స్వచ్ఛమైన NaCl చాలా అధిక ద్రవీభవన స్థానం (801 °C) కలిగి ఉంటుంది. శక్తి ఖర్చులను తగ్గించడానికి మరియు సోడియం యొక్క బాష్పీభవనాన్ని తగ్గించడానికి, ఒక యుటెక్టిక్ మిశ్రమం ఉపయోగించబడుతుంది.
• ఘటక పదార్థం: సుమారు 42% NaCl మరియు 58% CaCl₂. కొన్నిసార్లు BaCl₂ కూడా కలుపుతారు.
• మిశ్రమం యొక్క ద్రవీభవన స్థానం: మిశ్రమం చాలా తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద, సాధారణంగా 580-600 °C వద్ద ద్రవీభవిస్తుంది.
• CaCl₂/BaCl₂ ల పని:
  • ఎలక్ట్రోలైట్ యొక్క ద్రవీభవన స్థానాన్ని తగ్గిస్తుంది, శక్తిని ఆదా చేస్తుంది.
  • ద్రవీకరణం యొక్క విద్యుత్ వాహకతను పెంచుతుంది.
  • NaCl కంటే అధిక విఘటన సంభావ్యతను కలిగి ఉంటుంది, ఇది ఆపరేటింగ్ పరిస్థితులలో కాథోడ్ వద్ద Ca²⁺ లేదా Ba²⁺ కాకుండా Na⁺ అయాన్లు మాత్రమే క్షయకరణం చెందుతాయని నిర్ధారిస్తుంది (పరిస్థితులను జాగ్రత్తగా నియంత్రించకపోతే కొంత Ca లోహం సహ-నిక్షేపణ చెందినప్పటికీ, అది ద్రవీకృత సోడియంలో కరిగి ఉంటుంది మరియు శుద్ధీకరణ సమయంలో తొలగించబడుతుంది).

డౌన్స్ సెల్‌లోని చర్యలు:

ద్రవీకృత మిశ్రమం Na⁺, Ca²⁺, మరియు Cl⁻ అయాన్‌లను కలిగి ఉంటుంది.

• కాథోడ్ వద్ద (ఐరన్, నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్): Na⁺ (melt) + e⁻ \rightarrow Na (l) (సోడియం అయాన్‌లు ద్రవీకృత సోడియం లోహంగా క్షయకరణం చెందుతాయి)
• ఆనోడ్ వద్ద (గ్రాఫైట్, పాజిటివ్ ఎలక్ట్రోడ్): 2Cl⁻ (melt) \rightarrow Cl₂ (g) + 2e⁻ (క్లోరైడ్ అయాన్‌లు క్లోరిన్ వాయువుగా ఆక్సీకరణం చెందుతాయి)

ఉత్పత్తి సేకరణ:

• ద్రవీకృత సోడియం: ఎలక్ట్రోలైట్ కంటే తక్కువ సాంద్రత కలిగి ఉండటం వల్ల, ద్రవీకృత సోడియం కాథోడ్ కంపార్ట్‌మెంట్‌లో ఎలక్ట్రోలైట్ ఉపరితలంపై తేలుతుంది. ఇది నిరంతరం ద్రవీకృత సోడియంలో మునిగి ఉన్న విలోమ కలెక్టర్ పైపులో సేకరించబడుతుంది మరియు సైఫన్ ద్వారా తొలగించబడుతుంది.
• క్లోరిన్ వాయువు: క్లోరిన్ వాయువు, గాలి కంటే సాంద్రత కలిగి ఉండటం వల్ల, ఆనోడ్ పైన ఉన్న విలోమ గుమ్మటం నుండి సేకరించబడుతుంది మరియు తదుపరి పారిశ్రామిక ఉపయోగం కోసం తరలించబడుతుంది.

ముఖ్యమైన పరిస్థితులు మరియు పరిశీలనలు:

• ఉష్ణోగ్రత: 580-600 °C (స్వచ్ఛమైన సోడియం ద్రవీభవన స్థానం, 98 °C, కంటే తక్కువ, కానీ ఎలక్ట్రోలైట్ ద్రవీభవన స్థానం కంటే ఎక్కువ).
• వోల్టేజ్: సుమారు 6-7 వోల్ట్‌లు.
• డయాఫ్రమ్: Na మరియు Cl₂ తిరిగి కలవకుండా నిరోధించడానికి అవసరం.

శుద్ధీకరణ మరియు శుద్ధి

డౌన్స్ పద్ధతి నుండి పొందిన సోడియం లోహం సాధారణంగా చాలా స్వచ్ఛమైనది (సుమారు 99.5%). ప్రధాన మలినం, ఏదైనా ఉంటే, సాధారణంగా కరిగిన కాల్షియం, ఇది ఆపరేటింగ్ ఉష్ణోగ్రత చాలా ఎక్కువగా ఉంటే ఏర్పడవచ్చు, ఇది Ca²⁺ అయాన్‌ల కొంత క్షయకరణకు దారితీస్తుంది.

• కాల్షియం తొలగింపు: కాల్షియం ఉన్నట్లయితే, దానిని ఈ క్రింది పద్ధతుల ద్వారా తొలగించవచ్చు:
  • వడపోత: ద్రవీకృత సోడియంను సుమారు 120 °C వరకు చల్లబరచడం వల్ల కాల్షియం అవక్షేపిస్తుంది, దానిని అప్పుడు వడపోయవచ్చు.
  • విభాగ స్ఫటికీకరణ: ప్రత్యామ్నాయంగా, కాల్షియం కలిగిన ద్రవీకృత సోడియంను నెమ్మదిగా చల్లబరచబడుతుంది. సోడియం ముందుగా స్ఫటికీకరణ చెందుతుంది, మిగిలిన ద్రవంలో కాల్షియం కరిగి ఉంటుంది, దీనిని తరువాత వేరు చేయవచ్చు.

శుద్ధి చేయబడిన సోడియంను అప్పుడు బ్లాక్‌లుగా పోసి లేదా నిర్జీవ వాతావరణంలో లేదా మినరల్ ఆయిల్ కింద డ్రమ్స్‌లో నింపుతారు, తద్వారా గాలి లేదా తేమతో చర్య జరగకుండా నిరోధించబడుతుంది.