DESCRIBE THE PROCESS OF EXTRACTING A METAL FROM ITS ORE, USING THE EXAMPLE OF IRON EXTRACTION FROM HEMATITE
The extraction of metals from their ores is one of the most significant operations in metallurgy. Metals are commonly found in nature in the form of ores, which are naturally occurring rocks or minerals containing metal compounds. These ores need to be processed to obtain the metal in its pure form. Iron, one of the most essential and widely used metals in industries such as construction, manufacturing, and transportation, is extracted from its ore, hematite (Fe₂O₃), through a series of chemical processes. The process of extracting iron from hematite is conducted in a blast furnace, involving both reduction and heating reactions.
HEMATITE ORE AND ITS COMPOSITION
Hematite is a major ore of iron and consists primarily of iron oxide (Fe₂O₃). It is a reddish-brown mineral that contains approximately 70% iron by weight. Hematite is one of the most abundant iron ores and is commonly used in the extraction of iron due to its high iron content. However, to obtain iron from hematite, it must first be separated from the oxygen in the compound through a chemical reduction process.
THE PROCESS OF IRON EXTRACTION FROM HEMATITE
The extraction of iron from hematite involves the following key steps: preparation of the ore, smelting in a blast furnace, reduction of iron ore, and purification of the metal.
(i) Preparation of the Ore
Before extraction, the hematite ore is first crushed and ground into fine particles to increase the surface area for further processing. The ore is then mixed with coke (a form of carbon) and limestone. The mixture is loaded into the blast furnace for the smelting process.
(ii) Smelting in a Blast Furnace
The blast furnace is a large, vertical furnace used to extract iron. It works by providing a continuous supply of air through a series of pipes at the bottom of the furnace. The steps involved in the blast furnace process are as follows:
- Loading the Furnace: The prepared hematite ore, coke, and limestone are added to the top of the blast furnace in alternating layers.
- Air Supply: Hot air is blown into the furnace from the bottom, which reacts with the coke (carbon) to produce carbon dioxide (CO₂) and carbon monoxide (CO). The temperature inside the furnace reaches around 2000°C.
(iii) Reduction of Iron Ore
At high temperatures inside the blast furnace, the carbon monoxide (CO) produced from the coke acts as a reducing agent. It reacts with the iron oxide (Fe₂O₃) in hematite to produce iron metal and carbon dioxide:
Fe2O3(s)+3CO(g)→2Fe(l)+3CO2(g)
This reaction is known as reduction, as it involves the removal of oxygen from the iron oxide. The iron metal, being denser, sinks to the bottom of the furnace, where it forms molten iron.
(iv) Role of Limestone (CaCO₃)
Limestone is added to the furnace to act as a flux. It helps to remove impurities such as silica (SiO₂) present in the ore. The limestone reacts with silica to form calcium silicate (CaSiO₃), also known as slag:
CaCO3(s)→CaO(s)+CO2(g)
CaO(s)+SiO2(s)→CaSiO3(l)
This slag, being less dense than iron, floats on top of the molten iron and can be easily removed. It helps in purifying the iron by removing impurities and also prevents the oxidation of iron by the air.
(v) Extraction of Pure Iron
The molten iron obtained at the bottom of the furnace is called pig iron. This pig iron contains around 4-5% carbon and various impurities. To convert this into pure iron, further refining is required, often done in a process called blasting or steelmaking.
- Steelmaking: Pig iron is processed in a Bessemer converter or electric arc furnace, where excess carbon and impurities are removed by blowing oxygen through the molten metal. This results in the production of steel, a more refined and versatile form of iron with controlled amounts of carbon and other elements.
ENVIRONMENTAL IMPACT OF IRON EXTRACTION
While iron extraction from hematite has greatly contributed to industrialization, it also has significant environmental impacts. The process involves the use of large amounts of energy and the release of pollutants such as carbon dioxide (CO₂) and sulfur oxides (SOx). These emissions contribute to global warming and acid rain. The mining of hematite can also lead to habitat destruction and water pollution if not managed properly.
- Carbon Emissions: The use of coke in the blast furnace results in CO₂ emissions, a greenhouse gas that contributes to climate change. As a result, there is increasing interest in reducing the carbon footprint of iron and steel production through cleaner technologies, such as hydrogen-based reduction and electric arc furnaces powered by renewable energy.
- Sustainable Practices: Efforts are underway to develop more sustainable methods of iron extraction, including direct reduced iron (DRI) processes, which use hydrogen instead of carbon as a reducing agent, thus reducing CO₂ emissions.
INNOVATIONS IN IRON EXTRACTION
In recent years, the global steel industry has been focusing on reducing its environmental impact. Countries like Sweden have introduced the HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology) initiative, which aims to replace coke with hydrogen for the reduction of iron ore. This innovation could significantly reduce carbon emissions in iron and steel production, contributing to the decarbonization of the industry. India, as one of the largest producers of steel, is also exploring ways to reduce the environmental impact of its steel plants through advanced technologies and more efficient production methods.
CONCLUSION
The extraction of iron from its ore, hematite, is a crucial process in the metallurgical industry. The use of blast furnaces, coke, and limestone enables the reduction of iron ore to produce iron, which is later refined into steel for various industrial applications. While this process has revolutionized industries, it also poses significant environmental challenges, including CO₂ emissions and pollution.
ஒரு உலோகத்தை அதன் தாதுவில் இருந்து பிரித்தெடுக்கும் செயல்முறையை விவரிக்கவும், ஹெமாடைட்டில் இருந்து இரும்பு பிரித்தெடுத்தல் உதாரணத்தைப் பயன்படுத்தி
உலோகங்களை அவற்றின் தாதுக்களிலிருந்து பிரித்தெடுப்பது உலோகவியலில் மிக முக்கியமான செயல்பாடுகளில் ஒன்றாகும். உலோகங்கள் பொதுவாக இயற்கையில் தாதுக்கள் வடிவில் காணப்படுகின்றன, அவை இயற்கையாக நிகழும் பாறைகள் அல்லது உலோக கலவைகள் கொண்ட தாதுக்கள். உலோகத்தை அதன் தூய வடிவத்தில் பெற இந்த தாதுக்கள் செயலாக்கப்பட வேண்டும். கட்டுமானம், உற்பத்தி மற்றும் போக்குவரத்து போன்ற தொழில்களில் மிகவும் அவசியமான மற்றும் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் உலோகங்களில் ஒன்றான இரும்பு, அதன் தாதுவான ஹெமாடைட் (Fe₂O₃) ஆகியவற்றிலிருந்து தொடர்ச்சியான இரசாயன செயல்முறைகள் மூலம் பிரித்தெடுக்கப்படுகிறது. ஹெமாடைட்டில் இருந்து இரும்பை பிரித்தெடுக்கும் செயல்முறை ஒரு குண்டு வெடிப்பு உலையில் நடத்தப்படுகிறது, இது குறைப்பு மற்றும் வெப்பமூட்டும் எதிர்வினைகள் இரண்டையும் உள்ளடக்கியது.
ஹெமடைட் தாது மற்றும் அதன் கலவை
ஹெமாடைட் இரும்பின் முக்கிய தாது மற்றும் முதன்மையாக இரும்பு ஆக்சைடை (Fe₂O₃) கொண்டுள்ளது. இது ஒரு சிவப்பு-பழுப்பு கனிமமாகும், இதில் எடையில் சுமார் 70% இரும்பு உள்ளது. ஹெமாடைட் மிகவும் மிகுதியான இரும்புத் தாதுக்களில் ஒன்றாகும், மேலும் இரும்புச் சத்து அதிகமாக இருப்பதால், இரும்பை பிரித்தெடுப்பதில் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது. இருப்பினும், ஹெமாடைட்டில் இருந்து இரும்பை பெறுவதற்கு, முதலில் அது ஒரு இரசாயன குறைப்பு செயல்முறை மூலம் கலவையில் உள்ள ஆக்ஸிஜனில் இருந்து பிரிக்கப்பட வேண்டும்.
ஹெமாடைட்டில் இருந்து இரும்பு பிரித்தெடுக்கும் செயல்முறை
ஹெமாடைட்டில் இருந்து இரும்பை பிரித்தெடுப்பது பின்வரும் முக்கிய படிகளை உள்ளடக்கியது: தாது தயாரித்தல், ஒரு குண்டு வெடிப்பு உலையில் உருகுதல், இரும்பு தாது குறைப்பு மற்றும் உலோகத்தை சுத்திகரித்தல்.
(i) தாது தயாரித்தல்
பிரித்தெடுப்பதற்கு முன், ஹெமாடைட் தாது முதலில் நசுக்கப்பட்டு, மேலும் செயலாக்கத்திற்கான மேற்பரப்பை அதிகரிக்க நுண்ணிய துகள்களாக அரைக்கப்படுகிறது. தாது பின்னர் கோக் (கார்பனின் ஒரு வடிவம்) மற்றும் சுண்ணாம்புக் கல்லுடன் கலக்கப்படுகிறது. கலவையானது உருகும் செயல்முறைக்காக குண்டு வெடிப்பு உலையில் ஏற்றப்படுகிறது.
(ii) ஊது உலையில் உருகுதல்
குண்டுவெடிப்பு உலை என்பது இரும்பை பிரித்தெடுக்கப் பயன்படும் ஒரு பெரிய, செங்குத்து உலை. உலையின் அடிப்பகுதியில் உள்ள தொடர் குழாய்கள் மூலம் காற்றின் தொடர்ச்சியான விநியோகத்தை வழங்குவதன் மூலம் இது செயல்படுகிறது. வெடிப்பு உலை செயல்பாட்டில் உள்ள படிகள் பின்வருமாறு:
- உலை ஏற்றுகிறது: தயாரிக்கப்பட்ட ஹெமாடைட் தாது, கோக் மற்றும் சுண்ணாம்புக் கல் ஆகியவை வெடிப்பு உலையின் மேல்பகுதியில் மாற்று அடுக்குகளில் சேர்க்கப்படுகின்றன.
- காற்று வழங்கல்: சூடான காற்று கீழே இருந்து உலைக்குள் வீசப்படுகிறது, இது கோக் (கார்பன்) உடன் வினைபுரிந்து கார்பன் டை ஆக்சைடு (CO₂) மற்றும் கார்பன் மோனாக்சைடு (CO) ஆகியவற்றை உருவாக்குகிறது. உலைக்குள் வெப்பநிலை சுமார் 2000 டிகிரி செல்சியஸ் அடையும்.
(iii) இரும்புத் தாது குறைப்பு
குண்டு வெடிப்பு உலைக்குள் அதிக வெப்பநிலையில், கோக்கிலிருந்து உற்பத்தி செய்யப்படும் கார்பன் மோனாக்சைடு (CO) குறைக்கும் முகவராக செயல்படுகிறது. இது இரும்பு உலோகம் மற்றும் கார்பன் டை ஆக்சைடை உருவாக்க ஹெமாடைட்டில் உள்ள இரும்பு ஆக்சைடுடன் (Fe₂O₃) வினைபுரிகிறது:
Fe2O3(s)+3CO(g)→2Fe(l)+3CO2(g)
இந்த எதிர்வினை குறைப்பு என்று அழைக்கப்படுகிறது, ஏனெனில் இது இரும்பு ஆக்சைடில் இருந்து ஆக்ஸிஜனை அகற்றுவதை உள்ளடக்கியது. இரும்பு உலோகம், அடர்த்தியாக இருப்பதால், உலையின் அடிப்பகுதியில் மூழ்கி, உருகிய இரும்பை உருவாக்குகிறது.
(iv) சுண்ணாம்புக் கல்லின் பங்கு (CaCO₃)
சுண்ணாம்புக் கல் ஒரு ஃப்ளக்ஸ் ஆக செயல்பட உலைக்கு சேர்க்கப்படுகிறது. இது தாதுவில் இருக்கும் சிலிக்கா (SiO₂) போன்ற அசுத்தங்களை அகற்ற உதவுகிறது. சுண்ணாம்பு சிலிக்காவுடன் வினைபுரிந்து கால்சியம் சிலிக்கேட்டை (CaSiO₃) உருவாக்குகிறது, இது கசடு என்றும் அழைக்கப்படுகிறது:
CaCO3(s)→CaO(s)+CO2(g)
CaO(s)+SiO2(கள்)→CaSiO3(l)
இந்த கசடு, இரும்பை விட அடர்த்தி குறைவாக இருப்பதால், உருகிய இரும்பின் மேல் மிதக்கிறது மற்றும் எளிதில் அகற்றப்படும். இது அசுத்தங்களை நீக்கி இரும்பை சுத்தப்படுத்த உதவுகிறது மற்றும் காற்றில் இரும்பு ஆக்சிஜனேற்றம் ஏற்படுவதை தடுக்கிறது.
(v) தூய இரும்பு பிரித்தெடுத்தல்
உலையின் அடிப்பகுதியில் கிடைக்கும் உருகிய இரும்பு பன்றி இரும்பு என்று அழைக்கப்படுகிறது. இந்த பன்றி இரும்பு சுமார் 4-5% கார்பன் மற்றும் பல்வேறு அசுத்தங்களைக் கொண்டுள்ளது. இதை தூய இரும்பாக மாற்ற, மேலும் சுத்திகரிப்பு தேவைப்படுகிறது, இது பெரும்பாலும் வெடித்தல் அல்லது எஃகு தயாரிப்பது எனப்படும்.
- எஃகு தயாரித்தல்: பன்றி இரும்பு ஒரு பெஸ்ஸெமர் மாற்றி அல்லது மின்சார வில் உலைகளில் செயலாக்கப்படுகிறது, அங்கு உருகிய உலோகத்தின் மூலம் ஆக்ஸிஜனை ஊதுவதன் மூலம் அதிகப்படியான கார்பன் மற்றும் அசுத்தங்கள் அகற்றப்படுகின்றன. இது எஃகு உற்பத்தியில் விளைகிறது, இது கட்டுப்படுத்தப்பட்ட அளவு கார்பன் மற்றும் பிற தனிமங்களைக் கொண்ட இரும்பின் மிகவும் சுத்திகரிக்கப்பட்ட மற்றும் பல்துறை வடிவமாகும்.
இரும்பு பிரித்தெடுத்தலின் சுற்றுச்சூழல் தாக்கம்
ஹெமாடைட்டில் இருந்து இரும்பு பிரித்தெடுத்தல் தொழில்மயமாக்கலுக்கு பெரிதும் பங்களித்தாலும், அது குறிப்பிடத்தக்க சுற்றுச்சூழல் தாக்கங்களையும் கொண்டுள்ளது. அதிக அளவு ஆற்றலைப் பயன்படுத்துதல் மற்றும் கார்பன் டை ஆக்சைடு (CO₂) மற்றும் சல்பர் ஆக்சைடுகள் (SOx) போன்ற மாசுபடுத்திகளை வெளியிடுவது இந்த செயல்முறையை உள்ளடக்கியது. இந்த உமிழ்வுகள் புவி வெப்பமடைதல் மற்றும் அமில மழைக்கு பங்களிக்கின்றன. ஹெமாடைட் சுரங்கம் சரியாக நிர்வகிக்கப்படாவிட்டால் வாழ்விட அழிவு மற்றும் நீர் மாசுபாட்டிற்கும் வழிவகுக்கும்.
- கார்பன் உமிழ்வுகள்வெடிப்பு உலைகளில் கோக்கைப் பயன்படுத்துவதால், CO₂ உமிழ்வு ஏற்படுகிறது, இது காலநிலை மாற்றத்திற்கு பங்களிக்கும் பசுமை இல்ல வாயு ஆகும். இதன் விளைவாக, ஹைட்ரஜன் அடிப்படையிலான குறைப்பு மற்றும் புதுப்பிக்கத்தக்க ஆற்றலால் இயக்கப்படும் மின்சார வில் உலைகள் போன்ற தூய்மையான தொழில்நுட்பங்கள் மூலம் இரும்பு மற்றும் எஃகு உற்பத்தியின் கார்பன் தடயத்தைக் குறைப்பதில் ஆர்வம் அதிகரித்து வருகிறது.
- நிலையான நடைமுறைகள்: CO₂ உமிழ்வைக் குறைக்கும் முகவராக கார்பனுக்குப் பதிலாக ஹைட்ரஜனைப் பயன்படுத்தும் நேரடிக் குறைக்கப்பட்ட இரும்பு (DRI) செயல்முறைகள் உட்பட, இரும்புப் பிரித்தெடுப்பதற்கான மிகவும் நிலையான முறைகளை உருவாக்குவதற்கான முயற்சிகள் நடந்து வருகின்றன.
இரும்பு பிரித்தெடுத்தலில் புதுமைகள்
சமீபத்திய ஆண்டுகளில், உலகளாவிய எஃகு தொழில் அதன் சுற்றுச்சூழல் பாதிப்பைக் குறைப்பதில் கவனம் செலுத்துகிறது. ஸ்வீடன் போன்ற நாடுகள் ஹைபிரிட் (ஹைட்ரஜன் பிரேக்த்ரூ அயர்ன்மேக்கிங் டெக்னாலஜி) முன்முயற்சியை அறிமுகப்படுத்தியுள்ளன, இது இரும்புத் தாதுவைக் குறைப்பதற்காக கோக்கை ஹைட்ரஜனுடன் மாற்றுவதை நோக்கமாகக் கொண்டுள்ளது. இந்த கண்டுபிடிப்பு இரும்பு மற்றும் எஃகு உற்பத்தியில் கார்பன் உமிழ்வை கணிசமாகக் குறைக்கும், இது தொழில்துறையின் டிகார்பனைசேஷனுக்கு பங்களிக்கிறது. எஃகு உற்பத்தியில் மிகப்பெரிய நாடுகளில் ஒன்றாக உள்ள இந்தியா, மேம்பட்ட தொழில்நுட்பங்கள் மற்றும் திறமையான உற்பத்தி முறைகள் மூலம் அதன் எஃகு ஆலைகளின் சுற்றுச்சூழல் பாதிப்பைக் குறைப்பதற்கான வழிகளையும் ஆராய்ந்து வருகிறது.
முடிவுரை
இரும்பு அதன் தாதுவான ஹெமாடைட்டில் இருந்து பிரித்தெடுப்பது உலோகவியல் துறையில் ஒரு முக்கியமான செயல்முறையாகும். குண்டு வெடிப்பு உலைகள், கோக் மற்றும் சுண்ணாம்புக் கல் ஆகியவற்றின் பயன்பாடு இரும்பை உற்பத்தி செய்ய இரும்புத் தாதுவைக் குறைக்க உதவுகிறது, பின்னர் இது பல்வேறு தொழில்துறை பயன்பாடுகளுக்காக எஃகாக சுத்திகரிக்கப்படுகிறது. இந்த செயல்முறை தொழில்களில் புரட்சியை ஏற்படுத்தியிருந்தாலும், CO₂ உமிழ்வு மற்றும் மாசுபாடு உள்ளிட்ட குறிப்பிடத்தக்க சுற்றுச்சூழல் சவால்களையும் இது முன்வைக்கிறது.
