Procezo Solvay

La procezo Solvay aŭ la amoniako-sodo-procezo estas la ĉefa industria procezo produktadi sodocindraĵon (kiu estas ĉefe valora por ĝia enhavo de natria karbonato). La amoniako-sodo-procezon disvolvigis en sia moderna formo Ernest Solvay dum la 1860-aj jaroj. La ingrediencoj por ĉi tiu procezo estas facile haveblaj kaj malmultekostaj: salakvo (el landinternaj fontoj aŭ el la maro) kaj kalkoŝtono (el minoj). Oni taksas la tutmondan produktadon de sodocindraĵo en 2011 je 51.3 miliardoj da kilogramoj, kun valoro de $7.55 miliardoj aŭ €5.73 miliardoj,Dennis S. KOSTICK, Martha L. JACKSON kaj Lisa D. MILLER, Soda Ash en 2011 Minerals Yearbook ("Sodocindraĵo", ĉapitro en "Jarlibro de mineraloj, 2011"), Tabeloj N-ro 1 kaj 6, United States Geological Survey. Alirita la 22-a de decembro 2012. kiu estas pli ol sep kilogramoj jare por ĉiu persono sur Tero. Kemiaj manufakturoj kiuj baziĝas sur la procezo Solvay nun produktas proksimume tri kvaronojn de ĉi tiu ofertado; la cetero miniĝas el naturaj deponejoj. Kvardek kvin procentoj de la tutmonda produktado de sodocindraĵo venas el Ĉinio; dudek unu procentoj venas el Usono; aliaj landoj kiuj produktas po pli ol du miliardojn da kilogramoj estas Germanio, Rusio kaj Turkio.

 Kemiaĵo 
eta|dekstra|277ra|Kemiaĵo de la procezo Solvay. Ĉiu rondo reprezentas reago.
eta|dekstra|277ra|La procezo Solvay kiel ekzemplo de cikla procezo en la kemia industrio (verdo = reaktantoj, nigra = perantoj, ruĝa = produktoj).
La procezo Solvay rezultigas sodocindraĵon (precipe natrian karbonaton (Na2CO3)) el salakvo (kiel fonto de natria klorido (NaCl)) kaj el kalkoŝtono (kiel fonto de kalcia karbonato (CaCO3)).David M. KIEFER, "Soda Ash, Solvay Style" en Today's Chemist at Work, V-mo 11, N-ro 2 (februaro 2002, p. 87–88, 90). Alirita la 29-a de decembro 2012. La tuta procezo estas:

 2 NaCl + CaCO3 → Na2CO3 + CaCl2

La efektiva aplikado de ĉi tiu larĝakadre ĝenerala reago estas kompleksa.James G. SPEIGHT, Chemical Process and Design Handbook, 2001, McGraw-Hill, p. 2.462–-2.264 ISBN 0-07-137433-7Jean-Paul DETOURNAY, Daniel HUMBERT, Martin KEIGHLEY, Michael SCHLAGE, Andrzej SIEDLECKI, Sinan SOLAKLAR, Process BREF for Soda Ash ("Referdokumento de plej bonaj haveblaj teknikoj pri Sodocindraĵo"), marto de 2004, raporto de Asocio de Eŭropaj Produktantoj de Sodocindraĵo (ESAPA), paĝoj 21–28. Alirita la 31-a de decembro 2012.John T. MOORE, Chemistry Made Simple ("Kemio Farita Simpla"), 2005, Broadway Books, 190 paĝoj. ISBN 0-7679-1702-2 Oni eblas doni simpligitan priskribon per la kvar malsamaj, interagantaj kemiaj reagoj, kiuj vidiĝas je la figuro. En la unua paŝo de la procezo, karbona dioksido (CO2) pasas tra koncentrita akva solvaĵo de natria klorido (NaCl) kaj amoniako (NH3).

 (1)   NaCl + CO2 + NH3 + H2O → NaHCO3 + NH4Cl

Industrie, la reago efektiviĝas per pasi koncentritan salakvon tra du turoj. En la unua, amoniako bobelas tra la salakvo, kiu sorbas ĝin. En la dua, karbona dioksido bobelas tra la amoniaka salakvo, kaj natria hidrokarbonato (NaHCO3) precipitas el la solvaĵo. Notu ke, en alkala solvaĵo, NaHCO3 estas malpli solvebla ol natria klorido en akvo. La amoniako (NH3) bufras la solvaĵon cele al alkala pH; sen la amoniako, kromprodukto de klorida acido acidigus la solvaĵon kaj haltigus la precipitadon.

Oni regajnas en posta manipulo la "katalizilon" de amoniako, kiun la reago N-ro 1 bezonas, kaj relative malgranda kvanto da amoniako konsumiĝas. Oni produktas la karbonan dioksidon por tiu reago per la hejtanto ("la kalcinado") ĝis 950°–1100°C de la kalkŝtono. La kalcia karbonato (CaCO3) en la kalkŝtono parte konvertiĝas al kaŭstika kalko (kalcia oksido, CaO) kaj karbona dioksido:

 (2)   CaCO3 → CO2 + CaO

La natria hidrokarbonato (NaHCO3) kiu precipitis dum la reago N-ro 1 filtriĝas el la hejta solvaĵo de amoniaka klorido (NH4Cl), kaj la solvaĵo tiam reagiĝas kun la kaŭstika kalko (kalcia oksido, CaO), restanta el la hejtado de la kalkŝtono en manipulo N-ro 2.

 (3)   2 NH4Cl + CaO → 2 NH3 + CaCl2 + H2O

La kalcia oksido (CaO) konstituas forte alkalan solvaĵon. La amoniako el reago N-ro 3 recikliĝas reen kuniĝi al la salakva solvaĵo de komenca reago (N-ro 1).

La precipitita filtraĵo de natria hidrokarbonato (NaHCO3) el reago N-ro 1 tiam konvertiĝis per kalcinado ĝis 160°–230°C al la fina produkto, natria karbonato (Na2CO3), produktante akvon kaj karbonan dioksidon kiel kromproduktoj:

 (4)   2 NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2

La karbona dioksido rezulte de manipulo N-ro 4 regajnas por reuzo dum manipulo Nr-o 1. Kun taŭga konstrukcia dezajno kaj direktado, manufakturo Solvay povas reutiligi preskaŭ ĉiom da ĝia amoniako, kaj ĝi konsumas nur malgrandajn kvantojn de kroma amoniako por anstataŭi perdojn. La nuraj signifoplenaj enmetoj por la procezo Solvay estas salo, kalkŝtono kaj termika energio, kaj ĝia nura maĵora kromprodukto estas kalcia klorido, kiu vendiĝas kiel vojsalo degeli glacion kaj neĝon.

 Varianto de Hoŭ Debang 
Dum la 1930-aj jaroj ĉina kemiisto Hoŭ Debang elpensis modifon al la procezo Solvay, en kio la unuaj manipuloj estas la tutsama kiel la procezo kiu priskribiĝis je la supraj alineoj. Tamen, amoniaka klorido (NH4Cl) anstataŭas la kalcian kloridon (CaCl2). Anstataŭ traktante la ceterajn solvaĵon kun kalko, oni pumpas karbonan dioksidon kaj amoniakon en la solvaĵon; oni aldonas natrian kloridon ĝis la solvaĵo saturiĝas je 40°C, tiam malvarmas la solvaĵon ĝis 10°C. La amoniaka klorido kiu precipitiĝas estas elprenita per filtrado, kaj la solvaĵo recicliĝas por la produktado de plua natria karbonato. La procezovarianto de Hoŭ eliminas la produktadon de kalcia klorido. La kromprodukto de amoniaka klorido rafineblas por uzo kiel neorganika grasumo, kiu povas havi pli grandan komercan valoron ol CaCl2, tiel reduktante la amplekson de forĵetejoj. Pluaj detaloj de la industria efektivigo de ĉi tiu procezo haveblas en la raporto de Asocio de Eŭropaj Produktantoj de Sodocindraĵo (ESAPA).

 Uzoj de sodocindraĵo 
Oni uzas sodocindraĵon en multaj industriaj procezoj, kaj ĝia produktada kvanto konsideriĝas kiel indikilo de ekonomia sano. La ĉefaj nunaj uzoj ampleksas:
 Vitroproduktadon: Pli ol duono de la monda produktado de sodocindraĵo uziĝas fari vitron. Botela kaj fenestra vitro (Sodo-kalko-silika vitro) estas farita per fandi miksaĵon de natria karbonato, kalcia karbonato kaj silika sablo (silicia dioksido, SiO2).
 Akvotraktadon: La natria karbonato estas uzata por desmineraligi akvon (precipiti karbonatojn de Mg2+ + kaj Ca2+). Ĉi tio uziĝas kaj industrie kaj hejme (en iuj lavaj pudroj).
 Faradon de sapoj kaj detergentoj: Natria karbonato ofte uziĝas kiel malmultekosta alternativo al lesivo (natria hidroksido, NaOH).
 Paperoproduktadon: El natria karbonato oni eblas fari natrian bisulfiton (NaHSO3) por la sulfita metodo de disigi ligninon el celulozo.
 Alkalon komunan en multaj kemiaj fabrikoj, ĉar ĝi estas pli malpreza ol NaOH; krome, ĝia manipulado estas multe malpli danĝera.
 Faradon de natria hidrokarbonato: NaHCO3 uziĝas kiel bakada sodo kaj en fajroestingiloj. Kvankam NaHCO3 estas produkto de la procezo Solvay, hejti ĝin por forigi la amoniakajn malpuraĵojn malkombinas iom de la NaHCO3, do reagi la rikolton de Na2CO3 kun CO2 estas efektive pli malpreza.
 Forigadon de sulfura dioksido (SO2) el fumtubaj gasoj ĉe centraloj. Ĉio iĝas pli rutina, ĉefe kie centraloj devas strikte plenumi emisiaĵajn bridojn.

 Historio 
La nomo "sodocindraĵo" aludas la ĉefan historian metodon de derivi alkalojn, kiu utiligis akvon por ekstrakti sodon el cindroj. Lignobruloj rendimentis potason kaj sia agadan ingrediencon, kalian karbonaton. La vorto "sodo" (de la mezepoka latino) origine aludis iujn plantojn kiuj kreskas ĉe estuaraj marĉoj; oni malkovris, ke la cindroj de tiuj plantoj rendimentis utilan alkalon, kiu nomiĝis "sodocindraĵo." La kultivo de tiaj plantoj por la produktado de sodocindraĵo atingis specife altdisvolvan staton dum la 18-a jarcento ĉe Hispanio, kie ĉi tiuj halofitoj (saltoleremaj plantoj) nomiĝas bariljo (el la hispana barrilla), salsolo aŭ halogetono. La bariljo por la produktado de sodocindraĵo aludas iu el pluraj arbedaj plantoj kiuj bone adaptiĝis kreski en salmarĉoj, kaj kiuj estas oftaj en Hispanio kaj Italio. La cindroj de tiuj plantoj eblas enhavi ĝis 30 procento de natria karbonato. La ĉefa speco en la produktado de sodocindraĵo estis la salsoloj (science: Salsola soda aŭ Kali turgida), sed pluraj aliaj specioj ankaŭ estis uzitaj.Joaquín Fernández PÉREZ, From the barrilla to the Solvay factory in Torrelavega: The Manufacture of Saltwort in Spain (anglalingva artikolo, "El la bariljo al la fabriko Solvay en Torrelavega: La produktado de salsolo en Hispanio,"), Antilia, Revista Española de Historia de las Ciencias de la Naturaleza y de la Tecnología, Madrido: 1998. Vol-o IV, Art-o 1. ISSN 1136-2049. Alirita la 8-an de januaro, 2013.
Maud GRIEVE, (1931). A Modern Herbal ("Moderna Herbaro"), 1931. ISBN 0-486-22798-7 kaj ISBN 0-486-22799-5. Vidu la dividaĵon pri glasswort (salsolo). Alirita la 21-an de oktobro, 2005. La cindroj de fuko kaj laminario, kiuj ankaŭ rendimentas sodocindraĵon, estis la bazo de enorma dek-oka-jarcenta industrio en Skotlando. Oni ankaŭ minis alkalojn ĉe sekaj lagofundoj en Egiptio.

 Notoj 

Kategorio:Kemiaj reakcioj
Kategorio:Historio de kemio‎
Kategorio:Kemia inĝenierarto
Kategorio:Inventaĵoj kaj malkovroj
Kategorio:Ĝermoj pri kemio