खनिज प्रसंस्करण व अलौह निष्कर्षण: चूर्णन, सज्जीकरण, द्रव्यमान संतुलन, तथा ऐलुमिनियम, ताम्र, टाइटेनियम व जस्ता

GATE धातुकर्म अभियांत्रिकी (MT) पेपर के खंड 4, खनिज प्रसंस्करण व निष्कर्षण धातुकर्म, हेतु दो अध्यायों में से पहला। यह खंड एक शीर्षक के अंतर्गत दो उद्योग है — एक ओर अयस्कों की तैयारी व अलौह धातुओं का निष्कर्षण, दूसरी ओर सम्पूर्ण लौह व इस्पात मार्ग — अतः इसे दो अध्यायों में लिखा गया है, और यह पाठ्यक्रम के पहले दो अनुच्छेद लेता है। खनिज सज्जीकरण: चूर्णन तथा रिटिंगर, किक व बॉन्ड के ऊर्जा नियम; आकार वर्गीकरण; फेन प्लवन; गुरुत्व, चुंबकीय व स्थिरवैद्युत पृथक्करण; तथा द्वि-उत्पाद द्रव्यमान संतुलन जो श्रेणी व प्राप्ति देता है। फिर ताप-, जल- व विद्युत-धातुकर्म के सिद्धांत, और ऐलुमिनियम, ताम्र, टाइटेनियम व जस्ते के निष्कर्षण हेतु इकाई प्रक्रम, उनके ऊष्मा व द्रव्यमान संतुलनों सहित।

1. चूर्णन: दलन, पेषण व तीन ऊर्जा नियम

चूर्णन खदान से निकले अयस्क को उस आकार तक घटाता है जिस पर मूल्यवान खनिज गैंग से मुक्त हो जाए, ताकि दोनों को पृथक किया जा सके। यह चरणों में होता है क्योंकि कोई एक मशीन पूरे परास में दक्षता से काम नहीं करती: जबड़ा या घूर्णी दलित्रों में प्राथमिक दलन (लगभग 100-150 mm तक), शंकु या बेलन दलित्रों में द्वितीयक व तृतीयक दलन, फिर घूर्णी चक्कियों में पेषण — छड़ चक्की, गेंद चक्की, तथा स्वजनित या अर्ध-स्वजनित चक्की जिनमें अयस्क स्वयं माध्यम है। किसी चरण का अपचयन अनुपात भरण-आकार बटा उत्पाद-आकार है। चूर्णन सांद्रक का सबसे बड़ा ऊर्जा उपभोक्ता है, और उस ऊर्जा का लगभग सब कुछ ऊष्मा बनता है: केवल छोटा अंश नए पृष्ठ में जाता है।

तीन अनुभवजन्य नियम ऊर्जा को आकार से जोड़ते हैं, सभी dE = −K dx/xⁿ की विशेष स्थितियाँ। रिटिंगर नियम (n = 2) कहता है ऊर्जा बने नए पृष्ठ के अनुपाती है, E = K_R(1/x₂ − 1/x₁); यह सूक्ष्म पेषण में सर्वोत्तम बैठता है। किक नियम (n = 1) कहता है ऊर्जा केवल अपचयन अनुपात पर निर्भर है, E = K_K ln(x₁/x₂), अतः 100 mm से 10 mm जाने में उतनी ही लगती है जितनी 10 mm से 1 mm; यह स्थूल दलन में बैठता है। बॉन्ड नियम (n = 1.5), चक्की-अभिकल्पन में प्रयुक्त, कार्य सूचकांक W_i से लिखा जाता है — अनंत आकार से 80% के 100 µm से पार होने तक पीसने की ऊर्जा, kWh प्रति शॉर्ट टन में: W = 10 W_i (1/√P₈₀ − 1/√F₈₀), P₈₀ व F₈₀ उत्पाद व भरण के 80%-पार आकार माइक्रोमीटर में और W, kWh/t में।

घूर्णी चक्की केवल अपनी क्रांतिक चाल से नीचे काम करती है, जिस पर आवेश खोल से चिपककर अपकेंद्रित होगा और झरना बंद कर देगा। खोल के शीर्ष पर D व्यास की चक्की में d व्यास की गेंद हेतु अभिकेंद्र आवश्यकता गुरुत्व के बराबर है: ω²(D − d)/2 = g, अतः N_c = (60/2π)√(2g/(D − d)) = 42.3/√(D − d) rpm, D व d मीटर में। चक्कियाँ क्रांतिक के 65 से 80% पर चलती हैं: कम चाल झरती है (घर्षण, सूक्ष्म पेषण), अधिक चाल प्रपात बनाती है (संघट्ट, स्थूल भंजन)।

🧠 कौन-सा नियम कौन-सा उत्तर देता है
स्थिर अपचयन अनुपात हेतु किक हर आकार पर समान ऊर्जा देता है। रिटिंगर 1/x के साथ बढ़ता है: वही अनुपात एक दशक सूक्ष्मतर दस गुना महँगा। बॉन्ड बीच में है, 1/√x के साथ: एक दशक सूक्ष्मतर √10 ≈ 3.16 गुना महँगा। यह सीढ़ी जानना अधिकांश चूर्णन MCQ बिना अंकगणित के सुलझा देता है।

2. आकार वर्गीकरण व सांद्रण विधियाँ

आकार वर्गीकरण कणों को छिद्र के बजाय उनके बैठने की दर से पृथक करता है। स्तरीय (स्टोक्स) क्षेत्र में छोटे गोले हेतु अंतिम वेग v = g d²(ρ_s − ρ_f)/(18μ) है, जब तक कण की रेनॉल्ड्स संख्या लगभग 1 से कम हो; बड़े कण न्यूटन क्षेत्र में बैठते हैं, जहाँ v ∝ √d। छलनियाँ स्थूल आकारों को छिद्र से पृथक करती हैं; यांत्रिक वर्गीकारक व हाइड्रोसाइक्लोन जल में सूक्ष्म आकारों को पृथक करते हैं, साइक्लोन का अपकेंद्री क्षेत्र g को कई गुना कर देता है। वर्गीकारक का निष्पादन उसका विभाजन (ट्रॉम्प) वक्र व कट-आकार d₅₀ है, वह आकार जिसके ऊपरी-प्रवाह व निचले-प्रवाह में जाने की समान प्रायिकता है। बंद-परिपथ पेषण में वर्गीकारक का निचला-प्रवाह चक्की में लौटता है, और परिसंचारी भार उस लौटी धारा का ताज़ा भरण से अनुपात है।

फेन प्लवन पृष्ठ-रसायन पर पृथक करता है। वायु-बुलबुले उन कणों से जुड़ते हैं जिनके पृष्ठ जलविरागी हैं (परिमित संपर्क कोण) और उन्हें फेन में ले जाते हैं, जबकि जलरागी कण लुगदी में रहते हैं। अभिकर्मक: संग्राहक चुने खनिज पर अधिशोषित होकर उसे जलविरागी बनाते हैं (सल्फ़ाइडों हेतु ज़ैंथेट, ऑक्साइडों व लवण-प्रकार खनिजों हेतु वसा अम्ल, सिलिकेटों हेतु ऐमीन); फेनक फेन को स्थायी करते हैं (पाइन तेल, मेथिल आइसोब्यूटिल कार्बिनॉल); सक्रियक प्लवनशीलता लौटाते हैं (कॉपर सल्फ़ेट स्फ़ैलेराइट को सक्रिय करता है, जिस पर ज़ैंथेट अकेले संग्रह नहीं करता); अवनमक उसे रोकते हैं (सायनाइड स्फ़ैलेराइट व पाइराइट को अवनमित करता है, चूना पाइराइट को, सोडियम सिलिकेट सिलिकेट गैंग को); और pH नियामक शर्तें तय करते हैं (चूना, सोडा ऐश)। सीसा-जस्ता अयस्क का विभेदी प्लवन पहले स्फ़ैलेराइट अवनमित रखकर गैलेना प्लवित करता है, फिर स्फ़ैलेराइट को सक्रिय कर प्लवित करता है।

भौतिक पृथक्करण विधियाँ
विधिउपयोग किया गुणविशिष्ट उपयोग
गुरुत्व: जिग, कंपन मेज़, सर्पिल, सघन-माध्यम पृथक्करणघनत्व-अंतर; सरल जब (ρ_heavy − ρ_f)/(ρ_light − ρ_f) > 2.5कोयला धुलाई, कैसिटेराइट, स्वर्ण, लौह अयस्क, तटीय रेत
निम्न-तीव्रता चुंबकीय (गीला या सूखा ड्रम)लौहचुंबकत्वमैग्नेटाइट अयस्क; सघन-माध्यम परिपथों से मैग्नेटाइट की पुनःप्राप्ति
उच्च-तीव्रता / उच्च-प्रवणता चुंबकीयअनुचुंबकत्वहेमेटाइट, इल्मेनाइट, केओलिन से लौहयुक्त अशुद्धियाँ हटाना
स्थिरवैद्युत (उच्च-तनाव बेलन)विद्युत चालकतातटीय रेत में चालक रूटाइल व इल्मेनाइट को अचालक ज़िरकॉन व मोनाज़ाइट से पृथक करना
फेन प्लवनपृष्ठ जलविरागिताCu, Pb, Zn, Mo के सल्फ़ाइड; लगभग 0.2 mm से छोटे सूक्ष्म कण

3. द्रव्यमान संतुलन: श्रेणी, प्राप्ति व द्वि-उत्पाद सूत्र

पृथक्करण f श्रेणी (मूल्यवान धातु या खनिज का अंश) के भरण F को c श्रेणी के सांद्र C व t श्रेणी के अवशेष T में बाँटता है। दो संतुलन लागू हैं: कुल द्रव्यमान, F = C + T, तथा मूल्यवान घटक, Ff = Cc + Tt। T हटाने पर द्वि-उत्पाद सूत्र C/F = (f − t)/(c − t) मिलता है, द्रव्यमान लब्धि। प्राप्ति मूल्यवान घटक का वह अंश है जो सांद्र में जाता है, R = Cc/(Ff) = c(f − t)/(f(c − t))। अन्य गुणता-मापक निकलते हैं: सांद्रण अनुपात F/C (प्रति टन सांद्र भरण के टन), समृद्धि अनुपात c/f, तथा पृथक्करण दक्षता, जो मूल्य के साथ प्राप्त गैंग को घटाती है। श्रेणी व प्राप्ति श्रेणी-प्राप्ति वक्र के अनुदिश परस्पर व्यापार करती हैं: सांद्र को परिष्कृत करना उसकी श्रेणी बढ़ाता है और प्राप्ति खोता है।

उदाहरण: 2.0% Cu का ताम्र अयस्क 25% Cu का सांद्र व 0.2% Cu का अवशेष देता है। C/F = (2.0 − 0.2)/(25 − 0.2) = 1.8/24.8 = 0.0726, अतः हर टन भरण से 72.6 kg सांद्र आता है और सांद्रण अनुपात 13.8 है। प्राप्ति = 0.0726 × 25/2.0 = 0.907, अर्थात् 90.7%। अवशेष पक्ष पर जाँच के रूप में, 0.2% पर 927.4 kg अवशेष 1.85 kg ताम्र ले जाता है, जो भरण के 20 kg का वह 9.3% है जो खो गया।

⚠️ लब्धि प्राप्ति नहीं है
C/F भरण का वह द्रव्यमान-अंश है जो सांद्र बनता है — यहाँ 7.3%। प्राप्ति धातु का वह अंश है जो बनता है — 90.7%। ये समृद्धि अनुपात c/f से भिन्न हैं, और प्राप्ति पूछने वाला प्रश्न उस छात्र को खोज रहा है जो C/F पर रुक जाता है।

4. ताप-, जल- व विद्युत-धातुकर्म के सिद्धांत

ताप-धातुकर्म उच्च ताप प्रयोग करता है। भर्जन ठोस को उसके गलनांक से नीचे गैस से उपचारित करता है: ऑक्सीकारी (पूर्ण) भर्जन सल्फ़ाइड को ऑक्साइड में, सल्फ़ेटकारी भर्जन जल-विलेय सल्फ़ेट में, क्लोराइडकारी भर्जन क्लोराइड में बदलता है — चुनाव प्रधानता आरेख से पढ़ा जाता है। निस्तापन CO₂ या जल निकालता है। प्रगलन आवेश को पिघलाकर धातु या मैट को धातुमल से पृथक करता है; ताम्र का मैट प्रगलन पिघला सल्फ़ाइड मिश्रण (Cu₂S-FeS) बनाता है क्योंकि ताम्र की ऑक्सीजन से बंधुता लोहे से कम और गंधक से अधिक है, अतः लोहा वरीयता से ऑक्सीकृत होकर धातुमल में जाता है। परिवर्तन पिघली मैट में वायु फूँककर पहले शेष लोहा और फिर गंधक ऑक्सीकृत करता है। परिष्करण अंतिम अशुद्धियाँ हटाता है, अग्नि से, आसवन से, या विद्युत-अपघटन से।

जल-धातुकर्म सामान्य ताप पर जलीय विलयन में काम करता है: निक्षालन (धातु को अम्ल, क्षार, सायनाइड या अमोनिया से घोलना, ढेरों, कुंडों, विलोडित टंकियों या ऑटोक्लेवों में), विलयन शोधन व सांद्रण (कार्बनिक निष्कर्षक से विलायक निष्कर्षण, आयन विनिमय, अशुद्धियों का अवक्षेपण), तथा धातु-प्राप्ति (अधिक विद्युत-धनात्मक धातु द्वारा सीमेंटीकरण, अवक्षेपण, हाइड्रोजन अपचयन, या विद्युत-निष्कर्षण)। यह निम्न-श्रेणी व जटिल अयस्कों के अनुकूल है और SO₂ उत्सर्जन से बचता है। विद्युत-धातुकर्म विद्युत ऊर्जा प्रयोग करता है: विद्युत-निष्कर्षण अक्रिय एनोड सहित विलयन से धातु निक्षेपित करता है, जिस पर ऑक्सीजन निकलती है, अतः सम्पूर्ण अपघटन वोल्टता चाहिए; विद्युत-परिष्करण अशुद्ध एनोड घोलता है और कैथोड पर शुद्ध धातु निक्षेपित करता है, जिसे केवल प्रतिरोध व ध्रुवण पार करने हेतु वोल्ट का एक अंश चाहिए, जबकि धातु से उत्कृष्टतर अशुद्धियाँ एनोड-पंक के रूप में गिरती हैं और कम उत्कृष्ट विलयन में रहती हैं। जल से निक्षेपित होने हेतु अत्यधिक सक्रिय धातुओं (Al, Mg, Na) हेतु गलित-लवण विद्युत-अपघटन प्रयुक्त होता है। फ़ैराडे नियम द्रव्यमान देता है: m = ItM/(nF) × धारा दक्षता।

5. ऐलुमिनियम, ताम्र, टाइटेनियम व जस्ता: इकाई प्रक्रम व उनके संतुलन

ऐलुमिनियम। बॉक्साइट बेयर प्रक्रम से ऐलुमिना में परिष्कृत होता है: गरम कास्टिक सोडा में पाचन ऐलुमिनियम हाइड्रॉक्साइड खनिजों को सोडियम ऐलुमिनेट के रूप में घोलता है, अविलेय लौह ऑक्साइड, सिलिका व टाइटेनिया अवशेष लाल पंक के रूप में पृथक होता है, ठंडा व बीजित द्रव Al(OH)₃ अवक्षेपित करता है, और निस्तापन Al₂O₃ देता है। फिर ऐलुमिना हॉल-हेरू प्रक्रम से अपचित होता है: उसे लगभग 950-980 °C पर पिघले क्रायोलाइट (Na₃AlF₆) में घोला जाता है, जो कार्य-ताप को ऐलुमिना के लगभग 2050 °C गलनांक से बहुत नीचे लाता है, और कार्बन कैथोड अस्तर व उपभोज्य कार्बन एनोडों के बीच विद्युत-अपघटित किया जाता है। ऐलुमिनियम कैथोड पर एकत्र होता है; एनोड समग्र अभिक्रिया 2Al₂O₃ + 3C = 4Al + 3CO₂ से CO₂ में जलते हैं, अतः सैद्धांतिक कार्बन उपभोग 3 × 12.01/(4 × 26.98) = 0.334 kg प्रति kg Al है (व्यावहारिक उपभोग अधिक है)। धातु प्रति परमाणु तीन इलेक्ट्रॉन वहन करती है, अतः प्रति मोल 3F चाहिए — प्रति kg 2980 A h — इसीलिए प्रगालक सस्ती बिजली के निकट स्थापित होते हैं।

ताम्र। सल्फ़ाइड अयस्क (कैल्कोपाइराइट, CuFeS₂) प्लवन से लगभग 25-30% Cu तक सांद्रित होते हैं, फिर प्रगलित किए जाते हैं — आज अधिकतर फ़्लैश प्रगालकों में, जहाँ सूखा सांद्र ऑक्सीजन-समृद्ध वायु में जलता है, सल्फ़ाइड ऑक्सीकरण की ऊष्मा प्रयोग करते हुए — Cu₂S व FeS की मैट व लौह सिलिकेट धातुमल में। मैट दो चरणों में परिवर्तित होती है: धातुमल-निर्माण फूँक, 2FeS + 3O₂ + SiO₂ → 2FeO·SiO₂ + 2SO₂, फिर ताम्र-निर्माण फूँक, Cu₂S + O₂ → 2Cu + SO₂, जो लगभग 98.5-99.5% Cu का फफोला (ब्लिस्टर) ताम्र देती है। अग्नि-परिष्करण गंधक व ऑक्सीजन हटाता है, धातु एनोडों में ढाली जाती है, और अम्लीकृत कॉपर सल्फ़ेट में विद्युत-परिष्करण 99.99% का कैथोड ताम्र देता है, एनोड-पंक से स्वर्ण, रजत व सेलेनियम प्राप्त होते हैं। ऑक्साइड व निम्न-श्रेणी अयस्क इसके स्थान पर जल-धातुकर्मीय मार्ग अपनाते हैं: सल्फ़्यूरिक अम्ल से ढेर-निक्षालन, विलायक निष्कर्षण, व विद्युत-निष्कर्षण (SX-EW)।

टाइटेनियम। TiO₂ कार्बन से अपचित नहीं हो सकता — टाइटेनियम की ऑक्साइड रेखा एलिंघम आरेख पर नीचे है और टाइटेनियम स्थायी कार्बाइड बनाता है — तथा टाइटेनियम ऑक्सीजन व नाइट्रोजन घोलता है, जो उसे भंगुर बनाती हैं। अतः क्रॉल प्रक्रम क्लोराइड से होकर जाता है। रूटाइल या उन्नत इल्मेनाइट धातुमल कार्बो-क्लोरीनीकृत होता है, TiO₂ + 2Cl₂ + 2C → TiCl₄ + 2CO (या CO₂ सहित); TiCl₄, एक वाष्पशील द्रव, आसवन से शोधित होता है; और आर्गन के अधीन बंद इस्पात पात्र में पिघले मैग्नीशियम से अपचित होता है, TiCl₄ + 2Mg → Ti + 2MgCl₂। उत्पाद टाइटेनियम स्पंज है, जिससे MgCl₂ व अतिरिक्त Mg निर्वात आसवन या निक्षालन से हटाए जाते हैं; MgCl₂ विद्युत-अपघटित होकर पुनःप्रयोग हेतु Mg व Cl₂ दोनों लौटाता है। स्पंज निर्वात आर्क पुनर्गलन से सघन किया जाता है। प्रक्रम खेप-आधारित है, और यही टाइटेनियम की लागत की जड़ है।

जस्ता। स्फ़ैलेराइट (ZnS) सांद्र पहले ZnO में भर्जित होता है (ZnS + 1.5O₂ → ZnO + SO₂, SO₂ सल्फ़्यूरिक अम्ल हेतु जाती है)। फिर लगभग 80-90% जस्ता भर्जन-निक्षालन-विद्युतनिष्कर्षण मार्ग से बनता है: कैल्सीन उपभुक्त विद्युत-अपघट्य (सल्फ़्यूरिक अम्ल) में निक्षालित होता है; लोहा, जो भर्जन में ज़िंक फ़ेराइट बनाता है, जैरोसाइट, गोएथाइट या हेमेटाइट के रूप में अवक्षेपित कर हटाया जाता है; ताम्र, कैडमियम, कोबाल्ट व निकल जस्ता-चूर्ण से सीमेंटीकृत कर निकाले जाते हैं, क्योंकि इनके अंश भी विद्युत-निष्कर्षण बिगाड़ देते हैं; और जस्ता सीसा-रजत एनोडों सहित ऐलुमिनियम कैथोडों पर विद्युत-निष्कर्षित होता है। जस्ता अम्लीय विलयन से केवल इसलिए निक्षेपित हो सकता है कि जस्ते पर हाइड्रोजन निष्कासन का अतिविभव बहुत बड़ा है — पिछले अध्याय का टैफ़ेल प्रभाव औद्योगिक कार्य करता हुआ। ताप-धातुकर्मीय विकल्प, इम्पीरियल स्मेल्टिंग प्रक्रम, सिंटरित जस्ता-सीसा आवेश को वात्या भट्ठी में कोक से अपचित करता है; जस्ता वाष्प के रूप में निकलता है (907 °C पर उबलता है) और पिघले सीसे की फुहार में झटके से संघनित होता है ताकि पुनः ऑक्सीकृत न हो, जबकि सीसा-पिंड चूल्हे से निकाला जाता है।

🎯 हर धातु अपना मार्ग क्यों लेती है
इसे एलिंघम आरेख से पढ़ें। ऐलुमिनियम व टाइटेनियम ऑक्साइड कार्बन हेतु बहुत नीचे हैं, अतः ऐलुमिनियम गलित-लवण विद्युत-अपघटन और टाइटेनियम क्लोराइड के मैग्नीशियम-अपचयन को जाता है। ज़िंक ऑक्साइड कार्बन से केवल जस्ते के क्वथनांक से ऊपर अपचित होता है, अतः कार्बोथर्मिक मार्ग को जस्ता-वाष्प सँभालनी पड़ती है। ताम्र की ऑक्सीजन से बंधुता दुर्बल है, अतः उसका सल्फ़ाइड चयनात्मक रूप से ऑक्सीकृत हो सकता है — लोहा धातुमल में, गंधक गैस में — धातु छोड़ते हुए।

मुख्य बिंदु

  • सूक्ष्म पेषण हेतु रिटिंगर E ∝ (1/x₂ − 1/x₁), स्थूल दलन हेतु किक E ∝ ln(x₁/x₂), बॉन्ड W = 10W_i(1/√P₈₀ − 1/√F₈₀), आकार µm में; क्रांतिक चक्की-चाल 42.3/√(D − d) rpm।
  • प्लवन: संग्राहक खनिज को जलविरागी बनाते हैं, फेनक फेन थामते हैं, CuSO₄ स्फ़ैलेराइट को सक्रिय और सायनाइड अवनमित करता है। चुंबकीय पृथक्करण मैग्नेटाइट हेतु निम्न व हेमेटाइट हेतु उच्च तीव्रता माँगता है; स्थिरवैद्युत पृथक्करण चालकों को अचालकों से बाँटता है।
  • द्वि-उत्पाद सूत्र C/F = (f − t)/(c − t); प्राप्ति R = c(f − t)/(f(c − t)); सांद्रण अनुपात F/C।
  • विद्युत-निष्कर्षण को पूर्ण अपघटन वोल्टता और विद्युत-परिष्करण को केवल वोल्ट का अंश चाहिए; फ़ैराडे: m = ItM/(nF) × धारा दक्षता।
  • Al: बेयर फिर क्रायोलाइट में हॉल-हेरू (सिद्धांततः प्रति kg Al 0.334 kg C)। Cu: प्लवन, मैट प्रगलन, परिवर्तन, अग्नि-परिष्करण, विद्युत-परिष्करण। Ti: क्रॉल, TiCl₄ का Mg से अपचयन। Zn: भर्जन, निक्षालन, जस्ता-चूर्ण से शोधन, विद्युत-निष्कर्षण — या इम्पीरियल स्मेल्टिंग प्रक्रम।

अभ्यास प्रश्न (13)

उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।

  1. 12 kWh/t बॉन्ड कार्य सूचकांक वाला अयस्क F₈₀ = 10 000 µm के भरण से P₈₀ = 100 µm के उत्पाद तक पीसा जाता है। बॉन्ड नियम कितनी विशिष्ट ऊर्जा बताता है, kWh/t में (एक दशमलव स्थान तक)?

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 10.8

    W = 10 W_i (1/√P₈₀ − 1/√F₈₀) = 10 × 12 × (1/10 − 1/100) = 120 × 0.09 = 10.8 kWh/t। परिभाषा से जाँच: अनंत आकार से 100 µm तक पीसने में ठीक W_i = 12 kWh/t लगेगा, और 10 mm से आरंभ 1/√10000 पद, उसका 10%, बचाता है। आकार mm में रखने पर 120 × (1/0.316 − 1/3.16) = 341.5 आता है, मूल में हज़ार गुना त्रुटि।
  2. किसी पदार्थ को 10 mm से 1 mm तक पीसने में 10 kWh/t लगता है। यदि रिटिंगर नियम लागू हो, तो उसी पदार्थ को 1 mm से 0.1 mm तक पीसने में कितनी ऊर्जा, kWh/t में, लगेगी?

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 100

    रिटिंगर: E = K_R(1/x₂ − 1/x₁)। प्रथम चरण: 10 = K_R(1/1 − 1/10) = 0.9K_R, अतः K_R = 11.11 kWh mm/t। द्वितीय: E = 11.11 × (1/0.1 − 1/1) = 11.11 × 9 = 100 kWh/t। अनुपात से: (10 − 1)/(1 − 0.1) = 9/0.9 = प्रथम चरण का 10 गुना। किक नियम समान अपचयन अनुपात हेतु वही 10 kWh/t देगा, और बॉन्ड नियम √10 × 10 = 31.6 kWh/t।
  3. 2.0 m आंतरिक व्यास की, 100 mm गेंदों से भरी गेंद चक्की की क्रांतिक चाल कितनी है, rpm में (एक दशमलव स्थान तक)? g = 9.81 m/s² लें।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 30.7

    क्रांतिक चाल पर शीर्ष पर गेंद हेतु ω²(D − d)/2 = g, अतः ω = √(2 × 9.81/1.9) = 3.213 rad/s और N_c = 60ω/(2π) = 30.7 rpm। लघु-सूत्र 42.3/√(D − d) = 42.3/√1.9 = 42.3/1.378 = 30.7 rpm मेल खाता है। गेंद-व्यास नगण्य मानने पर 42.3/√2 = 29.9 rpm आता है।
  4. 2.0% Cu वाला ताम्र अयस्क प्लवित होकर 25% Cu का सांद्र व 0.2% Cu का अवशेष देता है। सांद्र में ताम्र की प्राप्ति कितनी है, प्रतिशत में (एक दशमलव स्थान तक)?

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 90.7

    द्वि-उत्पाद सूत्र: C/F = (f − t)/(c − t) = (2.0 − 0.2)/(25 − 0.2) = 0.07258। प्राप्ति R = (C/F) × c/f = 0.07258 × 25/2.0 = 0.9073 = 90.7%। सीधे: R = c(f − t)/(f(c − t)) = 25 × 1.8/(2 × 24.8) = 45/49.6 = 90.7%। C/F पर रुकने से 7.3% आता है, द्रव्यमान लब्धि, प्राप्ति नहीं।
  5. उसी पृथक्करण (भरण 2.0% Cu, सांद्र 25% Cu, अवशेष 0.2% Cu) हेतु सांद्रण अनुपात, अर्थात् प्रति टन सांद्र भरण के टन, कितना है (एक दशमलव स्थान तक)?

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 13.8

    F/C = (c − t)/(f − t) = 24.8/1.8 = 13.78। 13.78 t भरण पर ताम्र-संतुलन से जाँच: 0.2756 t Cu, जिसमें 0.25 t, 1 t सांद्र में और 12.78 × 0.002 = 0.0256 t अवशेष में — संतुलन पूरा होता है। समृद्धि अनुपात c/f = 12.5 एक भिन्न आँकड़ा है।
  6. 50 µm व्यास का क्वार्ट्ज़ कण (घनत्व 2650 kg/m³) जल (घनत्व 1000 kg/m³, श्यानता 0.001 Pa·s) में बैठता है। उसका स्टोक्स अंतिम वेग कितना है, mm/s में (दो दशमलव स्थानों तक)? g = 9.81 m/s² लें।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 2.25

    v = g d²(ρ_s − ρ_f)/(18μ) = 9.81 × (50 × 10⁻⁶)² × 1650/(18 × 0.001) = 9.81 × 2.5 × 10⁻⁹ × 1650/0.018 = 2.248 × 10⁻³ m/s = 2.25 mm/s। वैधता जाँच: Re = ρvd/μ = 1000 × 2.248 × 10⁻³ × 50 × 10⁻⁶/0.001 = 0.11 < 1, अतः स्टोक्स लागू है। घनत्व-अंतर के स्थान पर कण-घनत्व लेने पर 3.61 mm/s आता है।
  7. सल्फ़ाइड फेन प्लवन में अभिकर्मकों की निम्न में से कौन-सी भूमिकाएँ सही बताई गई हैं?

    1. पोटैशियम ऐमिल ज़ैंथेट संग्राहक का काम करता है
    2. पाइन तेल फेनक का काम करता है
    3. कॉपर सल्फ़ेट स्फ़ैलेराइट हेतु अवनमक का काम करता है
    4. सोडियम सायनाइड स्फ़ैलेराइट व पाइराइट को अवनमित करता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — पोटैशियम ऐमिल ज़ैंथेट संग्राहक का काम करता है; B — पाइन तेल फेनक का काम करता है; D — सोडियम सायनाइड स्फ़ैलेराइट व पाइराइट को अवनमित करता है

    ज़ैंथेट मानक सल्फ़ाइड संग्राहक हैं (A), पाइन तेल फेनक है (B), और सायनाइड स्फ़ैलेराइट व पाइराइट को अवनमित करता है, इसी से सीसा-जस्ता विभेदी प्लवन में गैलेना पहले प्लवित होता है (D)। C उलटा है: कॉपर सल्फ़ेट स्फ़ैलेराइट को सक्रिय करता है, उसके पृष्ठ पर ताम्र निक्षेपित करता है ताकि ज़ैंथेट अधिशोषित हो सके — वही चरण जो सीसे के बाद जस्ते को प्लवित होने देता है।
  8. खनिज पृथक्करण व उपयुक्त विधि की निम्न में से कौन-सी जोड़ियाँ सही हैं?

    1. सिलिका से मैग्नेटाइट: निम्न-तीव्रता चुंबकीय पृथक्करण
    2. ज़िरकॉन से रूटाइल: स्थिरवैद्युत (उच्च-तनाव) पृथक्करण
    3. क्वार्ट्ज़ से हेमेटाइट: निम्न-तीव्रता चुंबकीय पृथक्करण
    4. शेल से कोयला: सघन-माध्यम (गुरुत्व) पृथक्करण
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — सिलिका से मैग्नेटाइट: निम्न-तीव्रता चुंबकीय पृथक्करण; B — ज़िरकॉन से रूटाइल: स्थिरवैद्युत (उच्च-तनाव) पृथक्करण; D — शेल से कोयला: सघन-माध्यम (गुरुत्व) पृथक्करण

    मैग्नेटाइट लौहचुंबकीय है और निम्न-तीव्रता ड्रम से लिया जाता है (A)। रूटाइल चालक है और ज़िरकॉन नहीं, अतः उच्च-तनाव बेलन उन्हें पृथक करता है (B)। कोयला शेल से बहुत हल्का है, सघन-माध्यम पृथक्करण का पाठ्यपुस्तकीय उदाहरण (D)। हेमेटाइट केवल अनुचुंबकीय है, अतः उसे उच्च-तीव्रता या उच्च-प्रवणता चुंबकीय पृथक्करण चाहिए — निम्न-तीव्रता ड्रम उसे मुश्किल से पकड़ता है (C गलत)।
  9. एक ताम्र विद्युत-निष्कर्षण गृह 90% धारा दक्षता पर 24 h तक 20 000 A प्रवाहित करता है। कितना ताम्र, kg में, निक्षेपित होता है (निकटतम पूर्णांक तक)? M(Cu) = 63.55 g/mol व F = 96 485 C/mol लें।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

    उत्तर देखें

    उत्तर: 512

    आवेश Q = 20 000 × 86 400 = 1.728 × 10⁹ C। Cu के मोल = ηQ/(nF) = 0.9 × 1.728 × 10⁹/(2 × 96 485) = 8059 mol, और m = 8059 × 63.55 g = 512.2 kg। विद्युत-रासायनिक तुल्यांक से जाँच: 63.55/(2 × 96 485) = 0.3293 mg/C, गुणा 1.555 × 10⁹ प्रभावी कूलॉम = 512 kg। n = 1 लेने पर यह दोगुना, 1024 kg हो जाता है।
  10. हॉल-हेरू सेल में समग्र अभिक्रिया 2Al₂O₃ + 3C = 4Al + 3CO₂ मानकर, प्रति kg ऐलुमिनियम सैद्धांतिक कार्बन एनोड उपभोग कितना है, kg में (तीन दशमलव स्थानों तक)? M(C) = 12.01 व M(Al) = 26.98 g/mol लें।

    संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।

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    उत्तर: 0.334

    प्रति 4 mol Al, 3 mol C: 3 × 12.01/(4 × 26.98) = 36.03/107.92 = 0.334 kg C प्रति kg Al। इलेक्ट्रॉन-जाँच: 4 Al को 12 इलेक्ट्रॉन चाहिए, और CO₂ बनता हर C 4 देता है, अतः 3 C — वही रससमीकरणमिति। यदि एनोड गैस सारी CO होती तो प्रति Al कार्बन दोगुना, 0.668 kg होता; वास्तविक सेल कुछ CO बनाते हैं और कुछ एनोड वायु में जलाते हैं, अतः व्यावहारिक उपभोग 0.334 से अधिक है।
  11. हॉल-हेरू प्रक्रम में जिस विद्युत-अपघट्य में ऐलुमिना घुला होता है वह मूलतः पिघला हुआ है:

    1. क्रायोलाइट, Na₃AlF₆
    2. बॉक्साइट
    3. सोडियम ऐलुमिनेट विलयन
    4. ऐलुमिनियम क्लोराइड
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — क्रायोलाइट, Na₃AlF₆

    ऐलुमिना लगभग 2050 °C पर पिघलता है; पिघले क्रायोलाइट में घुलकर इसे लगभग 950-980 °C पर विद्युत-अपघटित किया जा सकता है, और यही प्रक्रम का सम्पूर्ण मर्म है। सोडियम ऐलुमिनेट विलयन उससे पहले का बेयर-प्रक्रम द्रव है, बॉक्साइट अयस्क है, और ऐलुमिनियम क्लोराइड विद्युत-अपघटन भिन्न मार्ग है जो हॉल-हेरू सेल नहीं है।
  12. टाइटेनियम हेतु क्रॉल प्रक्रम में TiCl₄ किससे अपचित होता है?

    1. पिघला मैग्नीशियम
    2. उच्च ताप पर कार्बन
    3. हाइड्रोजन गैस
    4. जलीय विलयन का विद्युत-अपघटन
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — पिघला मैग्नीशियम

    आर्गन के अधीन बंद पात्र में TiCl₄ + 2Mg → Ti + 2MgCl₂ टाइटेनियम स्पंज देता है (पुराने हंटर प्रक्रम में सोडियम यही काम करता है)। कार्बन वर्जित है क्योंकि टाइटेनियम कार्बाइड बनाता है और उसका ऑक्साइड एलिंघम आरेख पर बहुत नीचे है; टाइटेनियम जल से निक्षेपित होने हेतु अत्यधिक सक्रिय है; और हाइड्रोजन TiCl₄ हेतु पर्याप्त प्रबल अपचायक नहीं।
  13. जस्ता निष्कर्षण के विषय में निम्न में से कौन-से कथन सही हैं?

    1. विद्युत-निष्कर्षण से पहले ताम्र व कैडमियम को सीमेंटीकृत करने हेतु निक्षालन-द्रव में जस्ता-चूर्ण मिलाया जाता है
    2. जस्ता अम्लीय सल्फ़ेट विलयन से विद्युत-निष्कर्षित हो सकता है क्योंकि जस्ते पर हाइड्रोजन निष्कासन का अतिविभव उच्च है
    3. इम्पीरियल स्मेल्टिंग प्रक्रम में जस्ता चूल्हे से निकाले गए द्रव के रूप में भट्ठी छोड़ता है
    4. निक्षालन से पहले स्फ़ैलेराइट सांद्र ज़िंक ऑक्साइड में भर्जित होता है
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — विद्युत-निष्कर्षण से पहले ताम्र व कैडमियम को सीमेंटीकृत करने हेतु निक्षालन-द्रव में जस्ता-चूर्ण मिलाया जाता है; B — जस्ता अम्लीय सल्फ़ेट विलयन से विद्युत-निष्कर्षित हो सकता है क्योंकि जस्ते पर हाइड्रोजन निष्कासन का अतिविभव उच्च है; D — निक्षालन से पहले स्फ़ैलेराइट सांद्र ज़िंक ऑक्साइड में भर्जित होता है

    Cu व Cd से अधिक विद्युत-धनात्मक जस्ता-चूर्ण उन्हें सीमेंटीकृत करता है (A); जस्ते पर उच्च हाइड्रोजन अतिविभव ही कैथोड को अम्ल-कुंड से हाइड्रोजन निकालने के बजाय जस्ता निक्षेपित करने देता है (B); ZnS का ZnO में भर्जन निक्षालन से पहले होता है (D)। C गलत है: ISP में जस्ता भट्ठी-गैस के साथ वाष्प के रूप में निकलता है और सीसा-फुहार संघनित्र में संघनित होता है; चूल्हे से सीसा-पिंड निकाला जाता है।