Procezo Solvay

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)).^[2] La tuta procezo estas:

2 NaCl + CaCO₃ → Na₂CO₃ + CaCl₂

La efektiva aplikado de ĉi tiu larĝakadre ĝenerala reago estas kompleksa.^[3][4][5] 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 priskibiĝis 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).^[4]

Oni uzas sodocindraĵon en multaj industriaj procezoj, kaj ĝia produktada kvanto konsideriĝas kiel indikilo de ekonomia sano. La ĉefaj nunaj uzoj ampleksas:^[1]

• 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.

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.^[6][7] 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.