תהליך סולווה

תהליך סולווה (באנגלית: Solvay process) הוא התהליך התעשייתי העיקרי להפקת נתרן פחמתי וסודה לשתייה. בצורתו המודרני פותח התהליך על ידי ארנסט סולווה בשנות ה-60 של המאה ה-19. חומרי הגלם לתהליך זמינים וזולים: מי ים, ואבן גיר. בשנת 2005 ייוצרו בעולם 42 מיליון טון של נתרן פחמתי כלומר כ-6 ק"ג לכל אדם באוכלוסיית העולם, כשלושה רבעים מכמות זו מופקת בתהליך סולווה. עד לסוף המאה ה-18 הופקו פחמות של נתרן ואשלגן מאפר צמחים. אפר עצים שימש כמקור לאשלגן פחמתי ואילו אפר צמחי מלחה או קלפ שימש כמקור לנתרן פחמתי וסודה לשתייה. הביקוש הגובר לנתרן פחמתי לתעשיית הסבון, הטקסטיל והזכוכית יצר מחסור בחומר. בשנת 1791 הרופא הצרפתי ניקולא לבלנק (Nicolas Leblanc) פיתח שיטה להפקת נתרן פחמתי. חומרי הגלם בתהליך שלו היו מלח בישול, גיר, חומצה גופרתית ופחם. בשלב הראשון חוממה תערובת של מלח בישול (NaCl) וחומצה גופרתית (H2SO4) לקבלת נתרן גופרתי וחומצה מלחית (HCl). 2 N a C l + H 2 S O 4 ⟶ N a 2 S O 4 + 2 H C l {\displaystyle 2NaCl+H_{2}SO_{4}\longrightarrow Na_{2}SO_{4}+2HCl} בשלב הבא חומם הנתרן הגופרתי Na2SO4 עם פחם לקבלת נתרן גופרי (Na2S), תוך שחרור פחמן דו-חמצני, על-פי התגובה הבאה: N a 2 S O 4 + 2 C ⟶ N a 2 S + 2 C O 2 {\displaystyle Na_{2}SO_{4}+2C\longrightarrow Na_{2}S+2CO_{2}} לבסוף הגיב הנתרן הגופרי (Na2S), עם גיר (CaCO3), לקבלת נתרן פחמתי (Na2CO3), וסידן גופרי (CaS), בתגובה : N a 2 S + C a C O 3 ⟶ N a 2 C O 3 + C a S {\displaystyle Na_{2}S+CaCO_{3}\longrightarrow Na_{2}CO_{3}+CaS} כדי להפריד את הנתרן הפחמתי מתערובת המוצקים שהתקבלה נשטף התוצר במים. הנתרן הפחמתי המסיס הופרד מהסידן הגופרי ושקע כאשר המים התאדו. תהליך Leblanc יצר מפגעים סביבתיים ניכרים. חומצה הידרוכלורית גזית נפלטה לאוויר בכמויות גדולות (כ-7 טון חומצה לכל 10 טון של נתרן פחמתי) והפסולת המוצקה - סידן גופרי CaS נערמה בסביבת המפעלים וגרמה פליטות של מימן גופרי ( H 2 S {\displaystyle {\ce {H_2S}}} ) רעיל ומסריח. פליטת הגזים פגעה קשות באוכלוסייה השכנה וכן בצמחייה ובחקלאות מסביב לאתרי הייצור. המפעלים היו חשופים לתביעות נזיקין ולחקיקה מגבילה. בשנת 1863 נחקק חוק שהגביל את פליטת המימן כלורי ל-5% מהכמות הנוצרת. חוק זה (Alkali Act 1863) נחשב לרגולציה המודרנית הראשונה על זיהום אוויר. המפעלים החלו להעביר את הגז הנפלט דרך מים ולהיפטר מהתמיסה החומצית שהתקבלה באמצעות הזרמתה לנחלים ואגמים תוך פגיעה קשה בדגה. תהליך לבלנק יצר גם תנאי עבודה קשים לפועלים שהיו חשופים לכימיקלים. . תהליך לבלנק הפך לאופן הייצור המרכזי בתחילת המאה ה-19, אולם עלותם הגבוהה של חומרי הגלם והזיהום שיצר ובפרט פליטת אדי חומצת מימן כלורית המריצו חיפוש תהליך חלופי. כבר ב-1811 גילה אוגוסטן ז'אן פרנל כי בעבוע פחמן דו-חמצני דרך מי ים שהומסה בהם אמוניה הביאה לשקיעת סודה לשתייה - התגובה המרכזית בתהליך סלווה, אך פרנל לא פרסם את הגילוי. ניסיון להפוך את התגובה ליישומית מתועד בפטנט בריטי משנת 1834. בשנת 1861 הכימאי התעשייתי ארנסט סולווה (Ernest Solvay), החל לחקור את הבעיה כנראה בלא הכרה של רוב המחקר הקודם בתחום. הפתרון שמצא סולווה: מגדל ספיחת גז בגובה 24 מטרים בו בעבע פחמן דו-חמצני דרך זרם יורד של מי ים ומחזור של האמוניה הדרושה לתגובה הוכח כיעיל. המפעל הראשון לייצור נתרן פחמתי בתהליך סולווה הוקם בבלגיה ב-1864 ובשנת 1874 הקים סולווה עם אחיו מפעל גדול יותר בננסי שבצרפת. באותה שנה נבנה מפעל דומה גם באנגליה ובשנת 1884 נתנו האחים סולווה זיכיון למפעל בארצות הברית. בתהליך סולווה מעבירים פחמן דו-חמצני (CO2) דרך תמיסה מרוכזת של מלח בישול (NaCl) ואמוניה (NH3) התגובה להפקת סודה לשתייה: N a C l + C O 2 + N H 3 + H 2 O ⟶ N a H C O 3 + N H 4 C l ( 1 ) {\displaystyle NaCl+CO_{2}+NH_{3}+H_{2}O\longrightarrow NaHCO_{3}+NH_{4}Cl\qquad (1)} במפעל תמיסת מלח מועברת דרך שני מגדלים, בראשון מבעבעים לתוכה אמוניה המתמוססת בה ובמגדל השני מבעבעים את ה-CO2. האמוניה נחוצה משום שהיא יוצרת pH בסיסי ובסביבה בסיסית סודה לשתייה מסיסה פחות מ-NaCl ולכן תשקע כמוצק. בלי אמוניה התמיסה תהיה חומצית ולא יהיה ניתן להפריד ממנה סודה לשתייה. האמוניה שנצרכה בשלב (1) ממוחזרת בשלב מאוחר יותר ומוחזרת לתחילת התהליך. את הפחמן הדו-חמצני מפיקים בתהליך של פירוק בחום (calcination) של גיר (CaCO3), בטמפרטורה של 900-1100°C. C a C O 3 ( s ) ⟶ C O 2 ( g ) + C a O ( s ) ( 2 ) {\displaystyle CaCO_{3(s)}\longrightarrow CO_{2(g)}+CaO_{(s)}\qquad (2)} לאחר שהסודה לשתייה מסוננת מתמיסת ה-NH4Cl שנוצרה בתגובה (1) משחזרים את האמוניה באמצעות תגובה עם הסידן החמצני CaO שנוצר בתגובה (2) 2 N H 4 C l + C a O ⟶ 2 N H 3 + C a C l 2 + H 2 O ( 3 ) {\displaystyle 2NH_{4}Cl+CaO\longrightarrow 2NH_{3}+CaCl_{2}+H_{2}O\qquad (3)} האמוניה שנוצרה בשלב (3) מוזרמת למגדל התגובה הראשון כמגיב בתגובה (1), כך שתוצר הלוואי היחיד הוא המלח סידן כלורי (CaCl2) - חומר שיש לו שימושים תעשייתיים שונים, במיוחד כחומר למניעת קפיאת מים על כבישים. כמעט כל האמוניה משוחזרת כך שחומרי הגלם המסופקים באופן רציף הם רק תמיסת מלח בישול (NaCl) וגיר (CaCO3). ניתן להוסיף לתהליך שלב בו הופכת הסודה לשתייה לנתרן פחמתי (Na2CO3) באמצעות חימום לטמפרטורות של 160-230°C. 2 N a H C O 3 ⟶ N a 2 C O 3 + C O 2 + H 2 O ( 4 ) {\displaystyle 2NaHCO_{3}\longrightarrow Na_{2}CO_{3}+CO_{2}+H_{2}O\qquad (4)} חיבור התגובות נותן את התהליך הכולל לייצור נתרן פחמתי: 2 N a C l + C a C O 3 ⟶ N a 2 C O 3 + C a C l 2 {\displaystyle 2NaCl+CaCO_{3}\longrightarrow Na_{2}CO_{3}+CaCl_{2}} ה-CO2 הנוצר בשלב (4) מועבר חזרה לשלב (1). נוסף לסידן הכלורי, מפעלי סודה לשתייה ונתרן פחמתי בשיטת סולווה יוצרים תוצרי לוואי אחרים שעלולים לפגוע בסביבה. ניצולת שלב (2) אינה מלאה כך שלא כל הגיר המסופק לשלב זה הופך לסידן חמצני (CaO) ועודפי הגיר מצטברים. בנוסף יש לטהר את תמיסת המלח (שמקורה במי ים) מיונים של מגנזיום וסידן, הוצאת היונים הללו מבוצעת על ידי השקעתם (כפחמות), וכך מצטברת פסולת נוספת שיש לסלק. מדיה וקבצים בנושא תהליך סולווה בוויקישיתוף תהליך סולווה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)