उच्च शुद्धता वाले मैग्नीशियम में सफलताः भट्ठी के पैमाने का उपयोग करके एल्यूमीनियम की अशुद्धियों को हटाना

शीआन जियाओतोंग विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने एक नवीन मैग्नीशियम शुद्धिकरण रणनीति की शुरुआत की है जो औद्योगिक परिस्थितियों में एल्यूमीनियम की अशुद्धियों को कुशलतापूर्वक और किफायती तरीके से हटाती है, जिससे कम एल्यूमीनियम उच्च शुद्धता वाले मैग्नीशियम का बड़े पैमाने पर उत्पादन संभव हो जाता है। प्रौद्योगिकी पहले से ही वाणिज्यिक उत्पादन लाइनों पर तैनात है।

मैग्नीशियम एक महत्वपूर्ण रणनीतिक धातु है जिसका हल्के परिवहन, उच्च-स्तरीय धातु कटौती (जैसे, टाइटेनियम, ज़िरकोनियम) और बायोमेडिकल उपकरणों में व्यापक अनुप्रयोग है। दुनिया का लगभग 80% प्राथमिक मैग्नीशियम सिलिकोथर्मिक प्रक्रिया के माध्यम से उत्पादित होता है, जो लागत और पैमाने पर लाभ प्रदान करता है लेकिन उच्च और उतार-चढ़ाव वाले अशुद्धता स्तर से ग्रस्त होता है - विशेष रूप से एल्यूमीनियम। एल्युमीनियम की मात्रा उत्पादन बैचों में 21-845 मिलीग्राम/किलोग्राम के बीच भिन्न हो सकती है, पांच शुद्धता ग्रेड में 32 गुना से अधिक स्विंग। यह अस्थिरता इलेक्ट्रॉनिक्स-ग्रेड टाइटेनियम, परमाणु-ग्रेड ज़िरकोनियम और चिकित्सा प्रत्यारोपण में मैग्नीशियम के उपयोग को सीमित करती है, जबकि उत्पादकों के लिए लाभप्रदता को कम करती है।

2023 में, टीम ने मूल कारण की पहचान की: सिलिकोथर्मिक कमी के दौरान, एल्यूमीनियम मुख्य रूप से गैसीय एल्यूमीनियम फ्लोराइड (एएलएफ 3) के रूप में मौजूद होता है, जो मैग्नीशियम के साथ सह-संघनित होता है। फर्नेस वॉल स्केल जमा का विश्लेषण करने के बाद, उन्होंने अनुमान लगाया कि कैल्शियम ऑक्साइड (CaO) एल्यूमीनियम को प्रभावी ढंग से हटा सकता है।

पहले लेखक झेंग रुई (शीआन जियाओतोंग विश्वविद्यालय में पीएचडी उम्मीदवार) ने पुष्टि की कि CaO जोड़ने से एल्यूमीनियम का स्तर ~109.5 मिलीग्राम/किग्रा से घटकर केवल 6.3 मिलीग्राम/किग्रा रह गया - हटाने की दक्षता 90% से अधिक हो गई। प्रमुख कच्चे मैग्नीशियम उत्पादक टेडा कोल केमिकल के साथ काम करते हुए, और शानक्सी प्रांतीय मैग्नीशियम-आधारित न्यू मटेरियल पायलट बेस का लाभ उठाते हुए, टीम ने जल्दी ही इस पद्धति को औद्योगिक रूप से मान्य कर दिया। पुनरावृत्तीय अनुकूलन के बाद, उन्होंने CaO को कैलक्लाइंड डोलोमाइट (CaO और MgO का मिश्रण) से बदल दिया, जो एक कम लागत वाली, पुनर्नवीनीकरण योग्य सामग्री है जो आमतौर पर मैग्नीशियम गलाने में उपयोग की जाती है। उच्च शुद्धता वाले Mg9998 मानक (अल्ट्रा-लो एल्यूमीनियम) को पूरा करने वाले मैग्नीशियम का अनुपात लगभग 0% से बढ़कर 83.3% हो गया, जिसने "आकस्मिक सफलता" को "स्थिर उत्पादन" में बदल दिया।

लागत विश्लेषण से पता चलता है कि यह शुद्धिकरण विधि मुख्यधारा के वैक्यूम आसवन की तुलना में खर्चों को लगभग 96% कम कर देती है, जो कम लागत वाले, कम-एल्यूमीनियम उच्च-शुद्धता वाले मैग्नीशियम के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए एक व्यावहारिक मार्ग प्रदान करती है।

नेचर मटेरियल्स में प्रकाशित अध्ययन के संबंधित लेखक प्रोफेसर शान झीवेई कहते हैं, "आर्थिक लाभ महत्वपूर्ण हैं, लेकिन जो चीज हमें अधिक उत्साहित करती है वह संपूर्ण मूल्य श्रृंखला में श्रृंखलाबद्ध प्रतिक्रिया है।" "मैग्नीशियम में एल्युमीनियम हमेशा धात्विक नहीं होता है - कुछ AlF3 जैसे यौगिकों के रूप में मौजूद होते हैं। ये 'अदृश्य संकटमोचक' के रूप में कार्य करते हैं जो डाउनस्ट्रीम उत्पादों में ले जाते हैं।"

उदाहरण के लिए, टाइटेनियम स्पंज उत्पादन (इलेक्ट्रॉनिक्स-ग्रेड टाइटेनियम के लिए महत्वपूर्ण) में, मैग्नीशियम का उपयोग कम करने वाले एजेंट के रूप में किया जाता है। यदि कच्चे मैग्नीशियम में अनियंत्रित एल्युमीनियम होता है, तो एल्युमीनियम टाइटेनियम में स्थानांतरित हो जाता है और इसे निकालना बेहद मुश्किल होता है, जिससे चिप-ग्रेड टाइटेनियम बर्बाद हो जाता है। बायोमेडिकल अनुप्रयोगों में, डिग्रेडेबल मैग्नीशियम बोन स्क्रू में उच्च एल्युमीनियम मानव शरीर में जमा हो सकता है और अल्जाइमर का खतरा बढ़ सकता है। शान ने जोर देकर कहा, "एल्यूमीनियम को कम करना चिकित्सा उपकरणों के लिए भी एक बड़ा लाभ है।"

एक आम धारणा के विपरीत कि "कच्चे मैग्नीशियम में एल्यूमीनियम एल्यूमीनियम युक्त मैग्नीशियम मिश्र धातुओं के लिए कोई मायने नहीं रखता है," टीम के नवीनतम अप्रकाशित प्रयोगों से पता चलता है कि एल्यूमीनियम का अंश (<0.01 wt.%) भी शुद्ध मैग्नीशियम के संक्षारण प्रतिरोध को काफी कम कर देता है। शान कहते हैं, "हम इस खोज की तैयारी कर रहे हैं - हमारा मानना ​​है कि पूरे मैग्नीशियम मिश्र धातु क्षेत्र को इससे लाभ होगा।" लाभ मार्जिन से परे, प्रौद्योगिकी डाउनस्ट्रीम टाइटेनियम, इलेक्ट्रॉनिक्स और बायोमेडिकल उद्योगों में सुधार करती है, जिससे उद्योग मानकों में संशोधन की संभावना होती है।

इस औद्योगिक चुनौती से निपटने की कुंजी सही मानसिकता थी। टीम ने एक हैरान करने वाली विसंगति देखी: उसी दिन उत्पादित मैग्नीशियम में एल्यूमीनियम के स्तर में बेतहाशा उतार-चढ़ाव देखा गया, भले ही कच्चे माल, ऑपरेटर और प्रक्रिया की स्थिति स्थिर थी। "इसका कोई तार्किक अर्थ नहीं था," शान याद करते हैं।

वह "क्यों" उन्हें प्रोडक्शन फ्लोर तक ले गया। एक पुरानी कहावत है: "सबसे घातक जहर के लिए, मारक सात चरणों के भीतर होता है।" शोध में, सबसे निराशाजनक औद्योगिक समस्याएं अक्सर अपने समाधानों को सबसे सामान्य उत्पादन विवरणों में छिपा देती हैं। मैग्नीशियम कटौती रिएक्टरों के मुहाने पर केतली में लाइमस्केल की तरह बनने वाली कठोर स्केल परत से श्रमिक प्रतिदिन संघर्ष करते थे। इस "कष्टप्रद पैमाने" को हर दिन मैन्युअल रूप से हटाना पड़ता था, जिससे श्रम लगता था और गर्मी हस्तांतरण प्रभावित होता था। जब टीम ने पैमाने का विश्लेषण किया, तो उन्हें एक स्थिर "कैल्शियम-एल्यूमीनियम-फ्लोरो-ऑक्साइड" यौगिक मिला।

उनके पूर्व ज्ञान के साथ संयुक्त कि एल्यूमीनियम की अशुद्धता AlF3 के रूप में आती है, अंतर्दृष्टि चकित हो गई: यदि स्केल पहले से ही कैल्शियम, फ्लोरीन, एल्यूमीनियम और ऑक्सीजन को केंद्रित करता है, तो क्या वे जानबूझकर AlF3 से एल्यूमीनियम को "कैप्चर" करने के लिए कैल्शियम ऑक्साइड का उपयोग कर सकते हैं, इसे एक स्थिर स्केल यौगिक में परिवर्तित कर सकते हैं और इस तरह एल्यूमीनियम को मैग्नीशियम से अलग कर सकते हैं? लोहे के बुरादे को आकर्षित करने के लिए चुंबक का उपयोग करने की तरह, CaO प्रमुख "एल्यूमीनियम अवशोषक" बन गया। सिद्धांत सरल लगता है, लेकिन एक दशक के यंत्रवत अध्ययन और औद्योगिक अनुभव के बाद ही टीम तिरस्कृत भट्टी पैमाने में छिपे सुराग को देख सकी।

जिस बात ने उन्हें सबसे ज्यादा रोमांचित किया वह स्पष्टता का क्षण था: जिस पैमाने से श्रमिक नफरत करते थे और घंटों उसे खंगालने में बिताते थे, वह वास्तव में एल्युमीनियम के उतार-चढ़ाव को हल करने का मुख्य रहस्य था। इससे प्रेरित होकर, टीम ने मैग्नीशियम में अन्य अशुद्धियों को नियंत्रित करने के दृष्टिकोण को बढ़ाया है, जिससे धातु शुद्धिकरण के लिए एक नया प्रतिमान पेश किया गया है।

प्रोफेसर शान इस बात पर जोर देते हैं कि इस शोध का सबसे प्रभावशाली परिणाम एक तकनीकी सफलता नहीं है, बल्कि "सात चरणों के भीतर मारक" मानसिकता है - कारखाने के फर्श पर उत्तर ढूंढना और समस्या से ही समाधान खोजना। यह पद्धति समान औद्योगिक प्रौद्योगिकी चुनौतियों का मार्गदर्शन कर सकती है।