Wikipedia

Metoda Solvaya

Metoda Solvaya – metoda otrzymywania węglanu sodu opracowana w latach 60. XIX w. przez Ernesta Solvaya. Proces ten polega na wykorzystaniu ciągu następujących reakcji chemicznych:

  1. CaCO
    3     → CaO + CO
    2
  2. NaCl + NH
    3     + CO
    2     + H
    2    O → NaHCO
    3     + NH
    4    Cl
  3. 2NaHCO
    3     → Na
    2    CO
    3     + CO
    2     + H
    2    O
  4. 2NH
    4    Cl + CaO → 2NH
    3     + H
    2    O + CaCl
    2
Schemat wytwarzania węglanu sodu metodą Solvaya

co sumarycznie daje:

CaCO
3 + 2NaCl → Na
2CO
3 + CaCl
2

Ze względu na wykorzystanie amoniaku w procesie, soda otrzymana metodą Solvaya nazywana jest „sodą amoniakalną”[1].

Surowce edytuj

Z reakcji sumarycznej wynika, że surowcami są węglan wapnia i sól kamienna (chlorek sodu), amoniak jest surowcem pomocniczym, koks używany jako paliwo do wypalania wapna palonego z wapniaka. Natomiast w procesie Leblanca surowcem głównym jest węgiel[2].

Do produkcji 1 t sody amoniakalnej zużywa się:

  • NaCl (w postaci solanki) 1525–1555 kg,
  • CaCO
    3     (w postaci wapniaka) 1206–1370 kg,

oraz, jako materiały pomocnicze:

  • koks do wypalania wapna 98–105 kg,
  • węgiel do kalcynacji NaHCO
    3     120–140 kg,
  • woda amoniakalna 4–8 kg[3].

Proces wytwarzania edytuj

Proces wytwarzania sody amoniakalnej składa się z następujących głównych procesów i operacji[4]:

  • przygotowanie solanki,
  • nasycanie solanki amoniakiem w celu otrzymania solanki amoniakalnej,
  • wypalanie wapna z kamienia wapiennego z jednoczesnym wytworzeniem gazów zawierających CO
    2    ,
  • nasycanie solanki amoniakalnej CO
    2     (karbonizacja),
  • oddzielenie kryształów NaHCO
    3     od ługu macierzystego,
  • suszenie wilgotnegoNaHCO
    3     i jego rozkład termiczny (kalcynacja),
  • regeneracja NH
    3     z ługów macierzystych przez zmieszanie z mlekiem wapiennym i ogrzewanie.
Przygotowanie solanki
Stosuje się solanki naturalne, które dosyca się solą w razie potrzeby. Najczęściej używa się solanek wytworzonych przez ługowanie wodą pokładów soli. Solanki takie mają zanieczyszczenia w postaci soli Mg, Ca, K itp. Aby oddzielić zanieczyszczenia solankę poddaje się procesowi analogicznemu do chemicznej metody zmiękczania wody. Strącające się osady CaCO
3 i Mg(OH)
2 oddziela się w odstojnikach.
Nasycenie solanki amoniakiem
NH
3 bardzo dobrze rozpuszcza się w solance ze znacznym efektem cieplnym. W miarę wzrostu stężenia amoniaku wzrasta objętość solanki. Ponieważ rozpuszczalność soli w wodzie amoniakalnej maleje, to aby nie dopuścić do wytrącenia kryształów stosuje się solankę nie całkowicie wysyconą (około 310 g NaCl na 1 l). Do nasycania solanki NH
3 stosuje się wysokie wieże absorpcyjne wypełnione koksem lub kolumny półkowe.
Wypalanie wapna
Wapno palone otrzymuje się w taki sam sposób jak przy produkcji materiałów wiążących, tj. w procesie kalcynowania wapnia.
Wysycanie solanki amoniakalnej za pomocą CO
2 (karbonizacja)
Solanka amoniakalna zawierająca pewną ilość CO
2 w stanie związanym jest nasycana CO
2 w kolumnach karbonizacyjnych w przeciwprądzie. Mają one budowę półkową. W dolnej części półki przedzielone są chłodnicami rurkowymi. Średnica kolumny 1,8–2,8 metra a wysokość do 30 metrów. Z powodu osadzania się kryształów NaHCO
3 po kilkudziesięciu godzinach pracy kolumna karbonizacyjna zarasta i trzeba przerywać jej pracę aby ją oczyścić. Z tego powodu kolumny karbonizacyjne łączy się w baterie 4–7 sztuk i kolejno poddaje płukaniu polegającym na przepuszczaniu przez nie całej ilości solanki, którą następnie kieruje się do pozostałych kolumn.
Jednocześnie dla polepszenia efektu płukania wprowadza się do kolumny pewną ilość gazu z pieców wapiennych, dzięki czemu w kolumnie płukanej następuje wstępna karbonizacja solanki. Gazy zawierające CO
2 pochodzą z dwóch źródeł: z wypalania wapna około 40% i rozkładu NaHCO
3 60%. Gazy uboższe w CO
2 wprowadza się w połowie wysokości kolumny, a gazy bardziej stężone wprowadza się od dołu kolumny. Ciśnienie słupa cieczy u dołu kolumny wynosi 0,3 MPa, wpływa to korzystnie na proces karbonizacji.
Oddzielanie kryształów NaHCO
3 od ługu macierzystego
Z kolumn karbonizacyjnych wypływa zawiesina kryształów NaHCO
3 w ługu macierzystym (tzw. mleczko bikarbonatowe). Oddzielenie kryształów od cieczy odbywa się metodą filtracji na filtrach obrotowych lub przez odwirowanie w wirówkach o działaniu ciągłym.
Kalcynowanie NaHCO
3
Aby otrzymać sodę bezwodną, osad NaHCO
3 należy osuszyć, a następnie poddać termicznemu rozkładowi:
2NaHCO
3 → Na
2CO
3 + CO
2 + H
2O
Proces suszenia i kalcynacji prowadzi się metodą ciągłą w obrotowych suszarniach bębnowych, suszarnia ogrzewana jest parą wodną lub rzadziej spalinami. Bęben stalowy o średnicy 2,5 m i długości do 25 m. Ponieważ gazy pokalcynacyjne zawracane są do procesu produkcyjnego, to ogrzewanie suszarki (kalcynatora) odbywa się przeponowo. Mokry NaHCO
3 ma tendencję do przywierania do rur grzewczych. Aby zapobiec temu zjawisku obniża się jego wilgotność, zawracając część wysuszonego produktu i mieszając go z wilgotnym NaHCO
3 przed wejściem do kalcynatora.
Regeneracja amoniaku
W ługach macierzystych po karbonizacji NH
3 znajduje się w postaci następujących związków:
  • NH
    3
  • (NH
    4    )
    2    CO
    3     i NH
    4    HCO
    3
  • NH
    4    Cl    .
Związki te różnią się trwałością termiczną. Z amoniakalnego roztworu (NH
4)
2CO
3 i NH
4HCO
3 amoniak można odzyskać przez ogrzewanie roztworu do temperatury około 70 °C, natomiast NH
4Cl rozkłada się za pomocą Ca(OH)
2. Obie te operacje prowadzi się w instalacji do regeneracji amoniaku. Instalacja ta składa się z aparatów do sporządzania mleka wapiennego, wymienników ciepła, kolumn odpędowych.
Ług macierzysty razem z popłuczynami z filtrów ogrzewa się do temperatury około 65 °C i wprowadza do górnej części kolumny odpędowej. W tym momencie następuje odpędzenie amoniaku z lotnych związków amonowych. Następnie gorącą ciecz miesza się z mlekiem wapiennym w osobnym mieszalniku i wprowadza do dolnej części kolumny odpędowej a odprowadza się roztwór odpadkowy. Gazy zawierające NH
3 i CO
2 po ochłodzeniu kieruje się do absorpcji w solance. W ten sposób zamyka się obieg amoniaku. Straty amoniaku pokrywa się przez wprowadzenie stężonej wody amoniakalnej do kolumny odpędowej.

Odpady edytuj

Gorąca ciecz odpływająca z kolumn odpędowych w procesie produkcji sody amoniakalnej kierowana jest do wielkich osadników ziemnych, w których osadza się zawiesina, a klarowny roztwór soli odprowadza się do zbiorników wodnych. Ciecz z kolumn odpędowych ma następujący skład (kg/m³):

  • NaCl – 56,
  • CaCl
    2     – 112,
  • Ca(OH)
    2    , CaCO
    3    , CaSO
    4    , SiO
    2     – 21.

Do osadników ziemnych kieruje się osady z oczyszczania solanki i osad CaCO
3 z kaustyfikacji sody i ewentualnie inne odpady. Osadniki te noszą nazwę „białych mórz”.

„Białe morza” stanowią poważny problem ekologiczny, powodują one bowiem silne zasolenie okolicznych wód gruntowych i skażenie naturalnych zbiorników wodnych oraz gleby chlorkiem wapnia. W Stanach Zjednoczonych „białe morza” powstałe z odpadów najdłużej działającej fabryki Solvaya (w miejscoweości Solvay w stanie Nowy Jork) spowodowały skażenie jeziora Onondaga, które zostało zaliczane do najbardziej zatrutych jezior w tym kraju[5][6]. Po zamknięciu tej fabryki w 1989 r. w Stanach Zjednoczonych nie produkuje się już sody tą metodą, w wielu innych krajach metoda ta jest jednak wciąż stosowana. Większość fabryk stosujących tę technologię lokuje się nad brzegami oceanów, dzięki czemu oczyszczoną wstępnie solankę można odprowadzać wprost do morza i nie ma potrzeby tworzenia „białych mórz”. W ten sposób funkcjonuje m.in. wielka fabryka w Saurashtra, Gudźarat, Indie[7] i w Osborne, w Australii[8].

W Polsce największe zgromadzenie „białych mórz” występuje w okolicach Jaworzna. Z czasem wokół „białych mórz” tworzy się specyficzny, nienaturalny ekosystem, który był przedmiotem kilku publikacji naukowych[9][10]. Przykładem zagospodarowania i rekultywacji terenów po byłej fabryce sody są tereny po Krakowskich Zakładach Sodowych Solvay (m.in. centrum handlowe, tereny rekreacyjne Osadniki Sodowe Solvay, Centrum Jana Pawła II „Nie lękajcie się”).

Przypisy edytuj

  1. ↑ Solvaya metoda otrzymywania sody, [w:] Encyklopedia techniki. Chemia, Władysław Gajewski (red.), Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1965, s. 659, OCLC 33835352.
  2. ↑ Józef Kępiński: Technologia chemiczna nieorganiczna. Warszawa: PWN, 1984. ISBN 83-01-05574-X.
  3. ↑ Praca zbiorowa: Technologia sody. Warszawa: Państwowe Wydawnictwa Techniczne, 1958.
  4. ↑ Edgar Bortel, Henryk Koneczny: Zarys technologii chemicznej. Warszawa: PWN, 1992. ISBN 83-01-09944-5.
  5. ↑ Salinity [online], OnLakePartners, 12 października 2013 [dostęp 2023-05-15] (ang.).
  6. ↑ Superfund Site: Onondaga Lake Site Profile [online], U.S. Environmental Protection Agency [dostęp 2023-05-15] (ang.).
  7. ↑ Technology in the Indian Soda Ash Industry. Technology Status Report #148, Ministry of Science & Technology, India, 1995 [zarchiwizowane 2008-12-18] (ang.).
  8. ↑ Company overview, Penrice Soda Holdings Ltd [zarchiwizowane 2012-09-10] (ang.).
  9. ↑ E.V.J. Cohn i inni, The flora and vegetation of an old Solvay process tip in Jaworzno (Upper Silesia, Poland), „Acta Societatis Botanicorum Poloniae”, 70 (1), 2001, s. 47–60 (ang.).
  10. ↑ Edward Michael Michalenko, Pedogenesis and invertebrate microcommunity succession in immature soils originating from chlor-alkali wastes, rozprawa doktorska, State University of New York College of Environmental Science and Forestry, 1991 [dostęp 2023-05-15] (ang.).
Źródło: „https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Metoda_Solvaya&oldid=72319191”