1. बॉक्साइट अयस्क से एल्यूमिना (Al₂o₃) निकालने के लिए बायर प्रक्रिया में शामिल प्रमुख रासायनिक प्रतिक्रियाएं क्या हैं?
एल्यूमिना निष्कर्षण के लिए बायर प्रक्रिया में प्रमुख रासायनिक प्रतिक्रियाएं
①बक्साइट पाचन
Bauxite (मुख्य रूप से al₂o₃ · Xh₂o और अशुद्धियां) उच्च तापमान (150-250 डिग्री) के तहत केंद्रित सोडियम हाइड्रॉक्साइड (NaOH) के साथ प्रतिक्रिया करता है और सोडियम एल्यूमिनेट (Naalo₂) बनाने के लिए दबाव:
Al2O3⋅H2O +2 NaOH → 2naAlo 2+2 H2OAl2 o3 ⋅H2 O +2 NaOH → 2NAALO2 +2 H2 O
यह Fe₂o₃ और tio₂ undisolved13 जैसी अशुद्धियों को छोड़ते हुए एल्यूमिना को भंग कर देता है।
②सिलिका निष्कासन
बॉक्साइट में सिलिका (Sio₂) NaOH के साथ घुलनशील सोडियम सिलिकेट (Na₂sio₃) बनाने के लिए NaOH के साथ प्रतिक्रिया करता है, जो बाद में desilication उत्पाद (DSP) के रूप में उपजी है:
Sio 2+2 NaOH → Na2Sio 3+ H2OSIO2 +2 NaOH → Na2 Sio3+H2 O
डीएसपी गठन अंतिम एल्यूमिना उत्पाद 14 में सिलिका संदूषण को रोकता है।
③एल्यूमीनियम हाइड्रॉक्साइड की वर्षा
सोडियम एल्युमिनेट समाधान को ठंडा किया जाता है, पतला किया जाता है, और अल (ओएच) के साथ सीड किया जाता है।
NAALO 2+2 H2O → AL (OH) 3 ↓+NaoHnaalo2 +2 H2 O → AL (OH) 3 ↓+NaOH
यह विघटन प्रतिक्रिया को उलट देता है, शुद्ध अल (OH) ₃13 की उपज देता है।
④एल्यूमिना को कैल्सीनेशन
एल्यूमीनियम हाइड्रॉक्साइड को पानी निकालने और निर्जल एल्यूमिना (Al₂o₃) का उत्पादन करने के लिए ~ 1000 डिग्री पर शांत किया जाता है:
2al (OH) 3 → Al2O 3+3 H2O ↑ 2Al (OH) 3 → Al2 O3 +3 H2 O}
यह इलेक्ट्रोलिसिस 1 के लिए अंतिम स्मेल्टिंग-ग्रेड एल्यूमिना की पैदावार करता है।
⑤NaOH का पुनर्चक्रण
वर्षा से खर्च किए गए NaOH समाधान को पुन: उपयोग किया जाता है और पाचन कदम में पुन: उपयोग किया जाता है, अभिकर्मक की खपत को कम करते हुए:
NaOH (पुनर्जीवित) → चरण 1NAOH (पुनर्जीवित) में पुनर्नवीनीकरण → चरण 1 में पुनर्नवीनीकरण
यह बंद लूप डिज़ाइन प्रक्रिया स्थिरता को बढ़ाता है।
2. हॉल-हेरेल्ट इलेक्ट्रोलिसिस प्रक्रिया एल्यूमिना को धातु एल्यूमीनियम में कैसे परिवर्तित करती है, और क्रायोलाइट (Na₃alf₆) और कार्बन एनोड क्या भूमिका निभाती है?
①इलेक्ट्रोलाइट रचना
एल्यूमिना (al₂o₃) पिघले हुए क्रायोलाइट (na₃alf₆) में भंग कर दिया जाता है, ~ 2072 डिग्री (शुद्ध al₂o₃) से पिघलने बिंदु को ~ 950 डिग्री तक कम करता है। क्रायोलाइट एक विलायक और आयन कंडक्टर के रूप में कार्य करता है, ऊर्जा की खपत को कम करते हुए कुशल इलेक्ट्रोलिसिस को सक्षम करता है12.
②इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाएँ
कैथोड (कार्बन-लाइनेड सेल) में:
एल्यूमीनियम आयनों (Al⁺⁺) को पिघलाए गए धातु एल्यूमीनियम में कम किया जाता है:
Al 3++3 e− → al (l) al 3++3 e− → al (l)
समय -समय पर टैपिंग के लिए सेल बॉटम पर पिघला हुआ एल्यूमीनियम इकट्ठा होता है34.
③कार्बन एनोड पर:
ऑक्साइड आयनों (O²⁻) ऑक्सीकरण, CO₂ गैस बनाने के लिए कार्बन के साथ प्रतिक्रिया:
O2−+C → CO2 (g) +4 e - O2−+C → CO2 (g) +4 e−
यह कार्बन एनोड्स की खपत करता है, जिसे लगातार प्रतिस्थापन की आवश्यकता होती है15.
क्रायोलाइट की भूमिका
पिघले हुए स्नान की आयनिक चालकता को बढ़ाता है।
निरंतर इलेक्ट्रोलिसिस के लिए आयन गतिशीलता (al and और o is and) को बनाए रखते हुए, एल्यूमिना विघटन को स्थिर करता है24.
④ऊर्जा की खपत
तापमान को बनाए रखने और रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं को चलाने के लिए उच्च विद्युत मांगों के कारण इस प्रक्रिया को ~ 13-15 kWh प्रति किलोग्राम एल्यूमीनियम की आवश्यकता होती है। आधुनिक कोशिकाएं दक्षता में सुधार के लिए ऊर्ध्वाधर इलेक्ट्रोड डिजाइनों का उपयोग करती हैं35.
⑤पर्यावरणीय प्रभाव
कार्बन एनोड ऑक्सीकरण, ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन में योगदान देता है, CO₂ उत्पन्न करता है। अक्रिय एनोड्स (जैसे, सिरेमिक) को अपनाने के प्रयासों का उद्देश्य प्रत्यक्ष सीओओ रिलीज़ को खत्म करना है।
3. एल्यूमीनियम गलाने में ऊर्जा की खपत की चुनौतियां क्या मौजूद हैं, और आधुनिक स्मेल्टर्स दक्षता में सुधार को कैसे संबोधित करते हैं?
①उच्च बिजली की मांग और जीवाश्म ईंधन निर्भरता
परंपरागत हॉल-हेरेल्ट इलेक्ट्रोलिसिस के लिए ~ 13-15 kWh प्रति किलोग्राम एल्यूमीनियम की आवश्यकता होती है, ~ 67% वैश्विक गलाने वाली बिजली जीवाश्म ईंधन से खट्टा होता है, उच्च CO₂ उत्सर्जन में योगदान देता है (~ 12-16.5 t co₂eq प्रति टन एल्यूमिनियम) 56।
②आधुनिक समाधान: अक्षय ऊर्जा (जैसे, सौर, हाइड्रो) और ग्रिड अनुकूलन में संक्रमण कार्बन की तीव्रता को कम करता है। आइसलैंड जैसे क्षेत्रों में स्मेल्टर्स निकट-शून्य-उत्सर्जन उत्पादन 58 को प्राप्त करने के लिए भूतापीय और जल विद्युत का उपयोग करते हैं।
③अक्षम गर्मी प्रबंधन
पारंपरिक स्मेल्टिंग अपशिष्ट गर्मी (जैसे, पिघला हुआ स्नान और निकास गैसों) के रूप में महत्वपूर्ण ऊर्जा खो देता है, केवल ~ 50% ऊर्जा का प्रभावी ढंग से उपयोग किया जाता है।
④आधुनिक समाधान: उन्नत हीट रिकवरी सिस्टम स्टीम उत्पादन, प्रीहीटिंग सामग्री, या जिला हीटिंग के लिए अपशिष्ट गर्मी को कैप्चर करते हैं, समग्र ऊर्जा दक्षता में 10-15%68 तक सुधार करते हैं।
इलेक्ट्रोलाइटिक सेल डिजाइन सीमाएँ
एजिंग सेल डिजाइन (जैसे, सोडरबर्ग एनोड्स) उच्च प्रतिरोध और कम जीवनकाल से पीड़ित हैं, जिससे ऊर्जा अपशिष्ट बढ़ती है।
⑤आधुनिक समाधान: के साथ रेट्रोफिटिंगअमानवीय एनोड्स (जैसे, सिरेमिक) कार्बन एनोड की खपत और CO, उत्सर्जन को समाप्त करता है, जबकि ऊर्ध्वाधर इलेक्ट्रोड विन्यास प्रतिरोधक नुकसान को कम करें, ~ 20%35 द्वारा ऊर्जा उपयोग में कटौती करें।
प्रक्रिया से संबंधित उत्सर्जन और उपोत्पाद
कार्बन एनोड ऑक्सीकरण रिलीज़ सीओ ₂, और एल्यूमिना अशुद्धियों (जैसे, फ्लोरीन यौगिक) ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन 56 में योगदान करते हैं।
⑥आधुनिक समाधान: कार्बन कैप्चर एंड स्टोरेज (CCS) सिस्टम और स्क्रबिंग टेक्नोलॉजीज ट्रैप उत्सर्जन। बंद-लूप फ्लोराइड रिकवरी सिस्टम खतरनाक बायप्रोडक्ट्स 35 को कम करते हैं।
⑦ग्रिड स्थिरता और ऊर्जा लचीलापन
स्मेल्टर्स को स्थिर, उच्च-लोड शक्ति की आवश्यकता होती है, आंतरायिक नवीकरण के साथ एकीकरण को जटिल करता है।
4. बक्साइट रिफाइनिंग के दौरान सिलिका (Sio₂) और आयरन ऑक्साइड (Fe₂o₃) जैसी अशुद्धियों को हटाने के लिए, और इसे क्या तरीके प्राप्त करते हैं?
①इलेक्ट्रोलिसिस के लिए एल्यूमिना शुद्धता सुनिश्चित करना
सिलिका घुलनशील सोडियम सिलिकेट (Na₂sio₃) बनाने के लिए पाचन के दौरान सोडियम हाइड्रॉक्साइड (NAOH) के साथ प्रतिक्रिया करती है, जो अंतिम एल्यूमिना उत्पाद को दूषित करती है और डाउनस्ट्रीम एल्यूमीनियम स्मेल्टिंग को बाधित करती है। आयरन ऑक्साइड (Fe₂o₃) अघुलनशील रहता है, लेकिन एल्यूमिना की गुणवत्ता से समझौता करता है यदि नहीं हटाया गया।
②अत्यधिक NaOH खपत को रोकना
अनियंत्रित सिलिका विघटन अधिक NaOH की खपत करता है, परिचालन लागत बढ़ाता है। एसिड या बेस के साथ चयनात्मक लीचिंग जैसे हाइड्रोमेटलर्जिकल तरीके एल्यूमिना यील्ड 23 को संरक्षित करते हुए Sio₂ और Fe₂o₃ को लक्षित करके इसे कम करते हैं।
③हानिकारक उपोत्पाद गठन से बचना
सिलिका डिसिलिकेशन प्रोडक्ट्स (डीएसपी) के रूप में, रिएक्टरों में स्केल बनाने और गर्मी हस्तांतरण दक्षता को कम करने के रूप में अवक्षेपित कर सकती है। नियंत्रित पाचन की स्थिति (जैसे, तापमान, NaOH एकाग्रता) DSP गठन 12 को दबाएं।
④प्रक्रिया स्थिरता बढ़ाने
आयरन ऑक्साइड अशुद्धियां "लाल मिट्टी" कचरे में योगदान करती हैं, जो पर्यावरणीय जोखिम पैदा करती है। उन्नत पृथक्करण तकनीक (जैसे, fe₂o₃ के लिए चुंबकीय पृथक्करण) लाल मिट्टी की मात्रा को कम करते हैं और अवशेष प्रबंधन 24 में सुधार करते हैं।
⑤ऊर्जा दक्षता का अनुकूलन
अशुद्धियां गलाने में पिघलने का तापमान बढ़ाती हैं। सिन्टरिंग या हाइड्रोमेटलर्जिकल मार्गों के माध्यम से पूर्व-उपचार Sio₂ और Fe₂o₃ अपफ्रंट को हटा देता है, बाद के इलेक्ट्रोलिसिस चरणों में ऊर्जा की मांग को कम करता है।
5. लाल मिट्टी (बॉक्साइट अवशेष) निपटान से पर्यावरणीय चिंताएं क्या उत्पन्न होती हैं, और इसका पुन: उपयोग या पुनर्चक्रण पारिस्थितिक प्रभावों को कैसे कम कर सकता है?
①विषाक्त लीचिंग और जल संदूषण
रेड मड की उच्च क्षारीयता (पीएच 10–13) और भारी धातु (जैसे, आर्सेनिक, वैनेडियम) भूजल में लीच कर सकते हैं, जलीय पारिस्थितिक तंत्र और पीने के पानी को जहर दे सकते हैं।
②शमन: पीएच को बेअसर करने के लिए कार्बोनेशन (CO) इंजेक्शन) के माध्यम से अवशेषों को स्थिर करें। धातु पुनर्प्राप्ति प्रक्रिया मिश्र या उत्प्रेरक में पुन: उपयोग के लिए खतरनाक तत्व निकालती है12.
बड़े पैमाने पर भूमि उपयोग और भंडारण जोखिम
अरबों टन लाल कीचड़ को बांधों में संग्रहीत किया जाता है, जो भयावह विफलताओं को जोखिम में डालते हैं (जैसे, 2010 हंगरी में अजाका स्पिल)। भंडारण भी विशाल भूमि का उपभोग करता है।
③शमन: निर्माण में लाल कीचड़ का उपयोग करें- सीमेंट उत्पादन (30% क्लिंकर की जगह) या चीनी मिट्टी की चीज़ें (मिट्टी प्रतिस्थापन)। जियोपोलिमर प्रौद्योगिकियां अवशेषों को टिकाऊ निर्माण सामग्री में परिवर्तित करती हैं34.
धूल से वायु प्रदूषण
सूखी लाल मिट्टी ठीक पार्टिकुलेट धूल उत्पन्न करती है, जिससे श्वसन संबंधी मुद्दे और मिट्टी का क्षरण होता है।
④शमन: धूल और धातुओं को स्थिर करने के लिए फाइटोस्टेबिलाइजेशन-रोपण धातु-सहिष्णु वनस्पति (जैसे, विलो) लागू करें। जियोटेक्स्टाइल्स या बायोमास के साथ कोट अवशेष25.
संसाधन अपशिष्ट और कार्बन पदचिह्न
लाल मिट्टी में मूल्यवान धातुएं होती हैं (जैसे, 20-50% लोहा, दुर्लभ पृथ्वी) लेकिन अक्सर इसे छोड़ दिया जाता है।
⑤शमननिकालनाइसे समझने के प्रयास में मैंने अपने आपको बरबाद कर डाला स्टीलमेकिंग के लिए गलाने या चुंबकीय पृथक्करण के माध्यम से। हाइड्रोमेटलर्जिकल विधियाँ एयरोस्पेस\/एनर्जी उपयोग के लिए स्कैंडियम और टाइटेनियम की वसूली करती हैं14.
मिट्टी की गिरावट और पारिस्थितिकी तंत्र प्रभाव
अनुपचारित लाल मिट्टी मिट्टी के रसायन विज्ञान, भूमि बंजर का प्रतिपादन।
शमन: के लिए जिप्सम या एसिड के साथ अवशेषों को बेअसर करेंभूमि संशोधन कृषि में (लोहे, फास्फोरस जोड़ता है)। भारत और चीन में पायलट परियोजनाएं उपचारित मिट्टी में फसल की पैदावार में सुधार करती हैं।
