ધાતુનિષ્કર્ષણ

ધાતુનિષ્કર્ષણ (metal extraction) : અયસ્ક(ore)માંથી ધાતુ મેળવવાની પ્રવિધિ (process). અયસ્કમાંથી ધાતુ મેળવતા પહેલાં તેને કુદરતી ખનિજમાંથી અલગ પાડવામાં આવે છે. આ માટેની રીતોમાં ખનિજમાં રહેલાં તત્ત્વોના ભૌતિક ગુણધર્મોના તફાવતનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આવા ગુણધર્મોમાં વિશિષ્ટ ઘનતા, કઠિનતા, પારગમ્યતા, વીજવાહકતા જેવા ગુણધર્મોનો સમાવેશ થાય છે. આવી રીતોને અયસ્કપ્રસાધન (ore dressing) કહે છે. તેમાં પ્લવન (floatation), ગુરુત્વસંકેન્દ્રણ (gravity concentration) કે અલગન અને ચુંબકીય અલગન મુખ્ય રીતો છે.

ધાતુનિષ્કર્ષણની રીતોને બે પ્રકારમાં વહેંચી શકાય. પ્રથમ રીતમાં ખનિજ/કાચી ધાતુને બહુ ઊંચા તાપમાન સુધી ગરમ કરી તેમાં રાસાયણિક ફેરફારો કરવામાં આવે છે. આ રીતને ‘ઉચ્ચ તાપમાન ધાતુકર્મ’ (pyrometallurgy) કહે છે. બીજી રીતમાં કાચી ધાતુને અમુક પ્રક્રિયકો (દા. ત., તેજાબ, સાયનાઇડ વગેરે) સાથે ભેળવીને દ્રાવણમાં લાવવામાં આવે છે. કયો પ્રક્રિયક વાપરવો તે કાચી ધાતુમાં રહેલા ઘટકો પર આધાર રાખે છે. ધાતુનિષ્કર્ષણની આ રીતને જલધાતુકર્મ (hydrometallurgy) કહે છે. આ બંને રીતોનો મુખ્ય આશય કાચી ધાતુને બે કે ત્રણ પ્રાવસ્થા(phase)માં વહેંચી દેવાનો (છૂટી પાડવાનો) છે. એક પ્રાવસ્થામાં જોઈતી ધાતુ વિશેષ પ્રમાણમાં હોય છે અને બાકીની પ્રાવસ્થામાં બિનજરૂરી પદાર્થો (બગાડ) હોય. ઘણી વાર આ જરૂરી ધાતુવાળી પ્રાવસ્થા પર વધુ ક્રિયાઓ કરી વધુ શુદ્ધ ધાતુવાળી પ્રાવસ્થા મેળવાય છે. વીજરાસાયણિક રીતો વપરાતી હોય તેવા ધાતુકર્મને વીજધાતુકર્મ(electrometallurgy) કહે છે.

ઉચ્ચતાપમાન ધાતુકર્મમાં પ્રગલન (smelting), ભૂંજન (roasting) અને નિસ્યંદન(distillation)ની ક્રિયાઓ દ્વારા ધાતુ મળે છે. જ્યારે જલધાતુકર્મની રીતમાં નિક્ષાલન, પ્રક્ષાલન અને પ્રસરણ(diffusion)ની  ક્રિયાઓનો સમાવેશ થાય છે. નિક્ષાલનમાં કાચી ધાતુને પ્રવાહી પ્રક્રિયક સાથે સંસર્ગમાં લાવી રાસાયણિક ક્રિયા કરવામાં આવે છે, જેમાં જોઈતી ધાતુ ઉપરાંત એકથી બે ઘટકો પ્રવાહીમાં ઓગળે છે. ઓગળેલ ધાતુને બીજી ક્રિયા દ્વારા પ્રવાહીમાંથી  અલગ પાડવામાં આવે છે. પ્રક્ષાલન-ક્રિયામાં કાચી ધાતુને ઝીણા ભૂકાના સ્વરૂપમાં તૈયાર કરી પ્રવાહીમાં તારવી મુખ્ય ધાતુને છૂટી પાડવામાં આવે છે. પ્રસરણક્રિયામાં કાચી ધાતુનો ભૂકો કરવો જરૂરી નથી. કાચી ધાતુ પ્રવાહીમાં પ્રસરે છે અને ત્યારબાદ બીજી ક્રિયાઓ કરી મુખ્ય ધાતુ મેળવાય છે.

મહત્વની ધાતુઓનું નિષ્કર્ષણ : લોહ, તાંબું, ઍલ્યુમિનિયમ, સોનું અને ચાંદી એ બહોળા પ્રમાણમાં વપરાતી અને જાણીતી ધાતુઓ છે.

લોહનિષ્કર્ષણ : લોહખનિજોમાં લોહ કયા સ્વરૂપમાં છે અને તે કેવા રંગમાં  ઉપલબ્ધ છે તેને ધ્યાનમાં લઈ વર્ગીકરણ થાય છે. લોહખનિજોનું નીચે પ્રમાણે વર્ગીકરણ કરી શકાય :

(1) મૅગ્નેટાઇટ (કાળું ખનિજ), Fe₃O₄, 40 % થી 70 % લોહ. તે બહુ કઠણ અને તીવ્ર ચુંબકત્વ ધરાવે છે. (2) હેમેટાઇટ (રાતું ખનિજ) : Fe₂O₃, 45 % થી 65 % લોહ. તેમાંથી લોહધાતુ સહેલાઈથી મળી શકે છે. તેમાં ફૉસ્ફરસ અને ગંધક થોડા પ્રમાણમાં હોય છે. (3) લિમોનાઇટ (ભૂખરું ખનિજ) : Fe₂O₃H₂O, 57 %ની આસપાસ લોહ. તે છિદ્રાળુ ખનિજ છે.

લોહખનિજમાંથી ભરતર લોખંડ (pig iron) મેળવવા માટે પ્રથમ ખનિજને નાના ઝીણા ટુકડાના સ્વરૂપમાં ફેરવવામાં આવે છે. ત્યારબાદ નિ:સાદન (sintering) ક્રિયા કરવામાં આવે છે, જેના દ્વારા તેમાંથી ગંધકને દૂર કરવામાં આવે છે. નિસાદન બાદ બ્લાસ્ટ ભઠ્ઠીમાં, ચૂના અને કોક સાથે પ્રગલન (smelting) કરવાથી આયર્ન ઑક્સાઇડ(કાચી ધાતુ)માંથી ભરતર લોખંડ મળે છે. બ્લાસ્ટ ભઠ્ઠીમાંથી મળેલ ભરતર લોખંડમાંથી જુદી જુદી ક્રિયાઓ દ્વારા પોલાદ (steel) મેળવવામાં આવે છે.

તાંબાનું નિષ્કર્ષણ : તાંબાની કાચી ધાતુઓમાં તાંબાનું પ્રમાણ માત્ર  1 % થી 2 % જેટલું જ હોય છે. આ કારણસર તાંબાનું નિષ્કર્ષણ લાંબું અને મોઘું પડે છે. તાંબાની કાચી ધાતુઓને ત્રણ પ્રકારમાં વહેંચાય : સલ્ફાઇડ, ઑક્સાઇડયુક્ત ખનિજો અને પ્રાકૃત તાંબું. તાંબાની કાચી ધાતુઓમાં જસત, સીસું, નિકલ, મોલેબ્ડીનમ, સોનું અને ચાંદી પણ મિશ્ર સ્વરૂપમાં રહેલાં હોય છે. અયસ્ક પ્રસાધન માટેની પ્લવનરીત દ્વારા તાંબાનું સંકેન્દ્રણ કરી કાચી ધાતુમાં તેનું પ્રમાણ 10 %થી 30 % સુધી ઊંચું લવાય છે. તાંબાની સંકેન્દ્રિત કરેલી જુદી જુદી કાચી ધાતુઓ અને તેમાં રહેલ ઘટકોનું પ્રમાણ નીચેના કોઠામાં દર્શાવ્યું છે :

તાંબાની સંકેન્દ્રિત કાચી ધાતુઓનું સંઘટન

મૂળ કાચી ધાતુ	Cu	Zn	S	Fe	SiO2	Al2O3	CaO
પાઇરાઇટ	11-20	4-7	35-43	32-37	3-5	3-7	0.5-2
તાંબા-જસતની કાચી ધાતુ	11-15	2-4	30-35	25-30	3-5	3-7	0.5-2
ફેલોવેલ કાચીધાતુ	20-25	–	30	25-27	5-10	5-8	0.5-2
પોરફીરી	28-35	–	15-20	16-20	20-29	5-8	1-2

સંકેન્દ્રિત કાચી ધાતુઓ પર ઉચ્ચ તાપમાન ધાતુકર્મની ક્રિયાઓ અનુક્રમે ભૂંજન અને ધાતુપ્રગલન કરવાથી ફોલ્લાવાળું તાંબું (blister copper) મળે છે. આ તાંબાનું શુદ્ધીકરણ કરી છેવટનું તાંબું મેળવાય છે.

ઍલ્યુમિનિયમનું નિષ્કર્ષણ : ઍલ્યુમિનિયમ પૃથ્વી પરની સૌથી વધુ ઉપલબ્ધ ધાતુ છે. તેનું પ્રાણવાયુ માટેનું આકર્ષણ (affinity) ઘણું તીવ્ર છે માટે પ્રાકૃત સ્વરૂપમાં તે ઍલ્યુમિનિયમ ઑક્સાઇડ અને ઍલ્યુમિનિયમ સિલિકેટના સ્વરૂપમાં મળે છે. આશરે 250 જેટલા જુદા જુદા ખનિજ-પદાર્થો છે, જેમાં ઍલ્યુમિનિમય તેના ઑક્સાઇડ કે સિલિકેટના સ્વરૂપમાં હાજર હોય છે. ઍલ્યુમિનિમયની મહત્વની કાચી ધાતુઓમાં બૉક્સાઇટ, નેફેલિન, ઍલ્યુનાઇટ, કેઓલિન અને સાઇનાઇટને ગણાવી શકાય.

બૉક્સાઇટ પથ્થર કે ગાંગડાના સ્વરૂપમાં નહિ પરંતુ માટીના સ્વરૂપમાં મળે છે. તે ઍલ્યુમિનિયમના હાઇડ્રૉક્સાઇડ, લોહના ઑક્સાઇડ, હાઇડ્રૉક્સાઇડ અને સિલિકેટ, ક્વાર્ટ્ઝ, કેઓલિનાઇટ, ટિટેનિયમનાં સંયોજનો, કૅલ્શિયમ, લોહ અને મૅગ્નેશિયમના કાર્બોનેટ વગેરેનું મિશ્રણ છે. વિવિધ પ્રકારની બૉક્સાઇટ મળી રહે છે. તેમાં Al₂O₃નું પ્રમાણ જેટલું વધારે અને SiO નું પ્રમાણ જેટલું ઓછું તેટલું તે સારું ગણાય. જે બૉક્સાઇટમાં અશુદ્ધિના સ્વરૂપે લોહ-ઑક્સાઇડનું પ્રમાણ વધુ હોય તેનો રંગ રતાશ પડતો હોય છે, જ્યારે સિલિકાનું પ્રમાણ વધુ હોય તેનો રંગ સફેદ કે ભૂખરો હોય છે.

બૉક્સાઇટમાં અશુદ્ધિઓનું પ્રમાણ ઘણું વધારે હોઈ બૉક્સાઇટમાંથી પ્રથમ બધી અશુદ્ધિઓ દૂર કરી શુદ્ધ ઍલ્યુમિના (Al₂O₃) મેળવાય છે. તે માટે ઘણી રીતો છે, પરંતુ બેયરની રીત સૌથી વધુ વપરાય છે. પ્રદ્રાવકો (flux) ઉમેરી ઍલ્યુમિનાના વીજવિભાજન(electrolysis)થી ઍલ્યુમિનિયમ ધાતુ મળે છે.

સોનાનું નિષ્કર્ષણ : સોનું સંયોજિત રૂપે ઓછું પરંતુ પ્રાકૃત સ્વરૂપમાં વધુ મળી રહે છે. પ્રાકૃત સ્વરૂપમાં રહેલી ધાતુ સંપૂર્ણ શુદ્ધ હોતી નથી. તેની સાથે 20 % જેટલી અન્ય ધાતુ જેવી કે ચાંદી, તાંબું, પ્લૅટિનમ, પારો વગેરે હાજર હોય છે. ખનિજમાં સોનાનું પ્રમાણ ખૂબ ઓછું હોય છે; એક ટન ખનિજમાં આશરે માત્ર 5 ગ્રામથી 15 ગ્રામ જેટલું. જે કાચી ધાતુમાં સોના ઉપરાંત તાંબું અને સીસું પણ હોય છે, તેમાંથી ઉચ્ચતાપમાને ધાતુકર્મની રીતથી તાંબું અને સીસું અલગ કરાય છે અને પછી અશુદ્ધ તાંબા અને સીસાને શુદ્ધ કરી તેમાંથી સોનું જુદું પડાય છે. જે કાચી ધાતુમાં સોના સિવાય અન્ય ધાતુઓ હોતી નથી તેનું ખનિજ-પ્રસાધન કરી સંકેન્દ્રણ કરાય છે. સંકેન્દ્રણ કર્યા પછી સોનાની પારા સાથે પારવણી (amalgamation) કરી સોના અને પારાનું મિશ્રણ જુદું કરાય છે અને ત્યારબાદ છેલ્લે મિશ્રણને ગરમ કરી પારાનું બાષ્પ થતાં સોનાને પારાથી જુદું પડાય છે.

ચાંદીનું નિષ્કર્ષણ : ચાંદીની કાચી ધાતુમાં ચાંદી Ag₂S (silver sulphide)ના સ્વરૂપમાં હોય છે. અમુક કાચી ધાતુમાં સિલ્વર સલ્ફાઇડ સાથે બીજી ધાતુઓનાં સલ્ફાઇડ સ્વરૂપો પણ જોડાયેલાં હોય છે. ચાંદીની કાચી ધાતુ પર ઉત્પ્લાવનક્રિયા અને ગુરુત્વ-અલગન-ક્રિયા કરીને ચાંદીનું સંકેન્દ્રણ કરાય છે. સંકેન્દ્રણ કરેલ કાચી ધાતુ પર ‘સાઇનાઇડેશન’ની ક્રિયા કરી ચાંદીનું દ્રાવણ મેળવાય છે. તેમાંથી ચાંદી અલગ પાડી શકાય છે.

ઉપરની ધાતુઓ ઉપરાંત જસત, કેડમિયમ, મર્ક્યુરી, કોબાલ્ટ, નિકલ, ક્રોમિયમ, ટાઇટેનિયમ, સીસું, મૅગ્નેશિયમ, કલાઈ, ટંગ્સ્ટન, યુરેનિયમ અને પ્લૅટિનમ સમૂહની ધાતુઓ પણ ઉપર જણાવેલ રીતો પૈકી એક અથવા વધુ રીતોનો ઉપયોગ કરી મેળવવામાં આવે છે.

ગાયત્રીપ્રસાદ હીરાલાલ ભટ્ટ