Procés Solvay

El procés de Solvay és un procediment químic utilitzat per fabricar carbonat de sodi ${\textstyle \mathrm {Na_{2}CO_{3}} }$ a escala industrial.

El carbonat de sodi s'utilitza per fabricar vidre i composts inorgànics de sodi, en detergents i netejadors, producció de pasta i paper, tractament d'aigua, producció d'alumini, processament tèxtil (neteja, blanqueig i formulació d'assistència de tenyit), refinació de petroli, liqüefacció de carbó, fotografia, mineria (recuperació d'urani i liti), dessulfuració de gasos de combustió, descontaminació de superfícies radioactives, segellament d'estanys contra fuites, neutralització d'efluents i residus àcids, productes de consum (és a dir, cosmètics, pols de fregar i netejadors de roba, plats i terres), composts d'aigua de calderes, com a additiu alimentari (antiaglomerant i reductor de l'acidesa E500i), reactiu analític, ajuda farmacèutica (agent alcalinitzant) i en medicina humana i veterinària. S'utilitza com a fungicida en desinfectants/higienitzants de superfícies institucionals, comercials i domèstiques. També s'utilitza com a ingredient inert en més de 600 pesticides actius als EUA; generalment considerat segur (GRAS) per la FDA. S'utilitza com a agent aromatitzant, antioxidant, agent de control del pH, agent de curat o adobat i ajudant de processament per a aliments. S'utilitza en la preparació de pells per a la producció de cuir.^[1]

El procés fou dissenyat per l'industrial i filantrop belga Ernest Solvay (1838-1922), de qui pren el nom, a partir d'una reaccióconeguda feia temps.^[2]

Història

El carbonat de sodi

El carbonat de sodi ${\textstyle \mathrm {Na_{2}CO_{3}} }$ s'ha utilitzat històricament per fabricar vidre, sabó i pólvora. Juntament amb el carbonat de potassi ${\textstyle \mathrm {K_{2}CO_{3}} }$ , conegut com a potassa, el carbonat de sodi fou la base de la indústria dels àlcalis, una de les primeres grans indústries químiques. Al llarg de la història, els àlcalis s'obtenien de fonts naturals. Hi ha evidències que els egipcis utilitzaven la cendra de sosa per fer vidre ja el 3500 aC. El natró ${\textstyle \mathrm {Na_{2}CO_{3}\!\cdot \!10H_{2}O} }$ importat dels llacs egipcis era una font important de cendra de sosa per a Europa. La cendra de sosa també es produïa cremant fusta i rentant les cendres amb aigua per obtenir una solució que produís cendra de sosa quan l'aigua s'evaporava. El nom de cendra de sosa prové de la planta barrella punxosa (Salsola kali), que es feia servir per produir cendra de sosa. La barrella és una planta comuna que es troba a les aigües salines al llarg del mar Mediterrani a Espanya i Itàlia. La barrella s'assecava i es cremava per produir carbonat de sodi.^[3]

El procés Leblanc

L'esgotament dels boscos europeus i les disputes internacionals van fer que la disponibilitat de sals alcalines fos cada vegada més incerta durant la darrera part del segle xviii. Això va fer que l'Acadèmia Francesa de les Ciències oferís una recompensa el 1783 a qualsevol que pogués trobar un mètode per produir carbonat de sodi a partir de la sal marina comuna ${\textstyle \mathrm {NaCl} }$ . Alguns dels químics més destacats de l'època van buscar una solució al problema de la cendra de sosa, però va ser Nicolas Leblanc (1743-1806) qui resolgué el problema. Leblanc proposà un procediment (procés Leblanc) el 1783 i el 1791 s'obrí una planta basada en el seu mètode que emprava grans quantitats d'àcid sulfúric.^[3]

El procés Solvay

A finals del segle xviii es posaren en marxa projectes d'il·luminació amb gas. A Anglaterra, William Murdoch proposà cremar carbó en lloc de carbó vegetal de llenya. El 1798 començà a il·luminar experimentalment la foneria Bolton and Watt amb gas. I el 1805 finalment s'instal·là il·luminació de gas a l'edifici, així com a la filatura de cotó de Philips and Lee. Amb la col·laboració entusiasta d'un industrial alemany, Winsor, Murdoch fundà la Chartered Gas Light and Coke Co. el 1810. El director, Christian Friedrich Accum (1769-1838), ja famós per la seva escola privada de química, difongué la nova tecnologia a través del seu llibre, Treatise on Gas Lighting, publicat el 1815. Durant aquest període, Winsor il·luminà a París el Passage des Panoramas i el Palais-Royal i després, el 1819, la Place du Carrousel.^[4]

Aleshores, a la perifèria de les grans ciutats, van proliferar les fàbriques de gas, que expulsaven els seus residus altament contaminants, aigües amb amoníac i quitrà d'hulla, als rierols. La Gas Light and Coke Co. construí una destil·leria per produir recobriments per a teulades i cordatges amb el quitrà d'hulla i la brea, però tots els vaixells de l'Oficina de la Marina i totes les teulades d'Anglaterra no eren suficients per utilitzar tanta brea. I què fer amb l'aigua bruta, plena d'amoníac, que desembocava directament al Tàmesi? A les columnes del Gas Gazette, apareixien regularment petits anuncis que oferien residus d'amoníac al millor postor.^[4]

Molts van pensar fer servir aquests residus per fer sosa (carbonat de sodi). La reacció, que seguia les lleis de Berthollet, era coneguda des de principis de segle. Però hi havia un llarg camí entre conèixer la reacció i posar-la en pràctica, especialment en el període de plena producció de les fàbriques de sosa amb el procés Leblanc. James Muspratt i després Henry Deacon, a Anglaterra, van fer l'intent, però ho abandonaren a causa de certes dificultats tècniques. A França, un químic, Jean-Jacques-Théophile Schloesing, i un enginyer, E. Rolland, produïren sosa a partir d'amoníac durant quatre anys (1854-1858) en una fàbrica prop de Puteaux, però també abandonaren el projecte perquè l'impost sobre la sal augmentava considerablement el cost del procés. Amb aquest procés, que havia engolit el capital de tants químics astuts, el fill d'una família industrial belga faria fortuna. Per raons de salut, el jove Ernest Solvay (1838-1922) gairebé no havia estudiat a la universitat ni havia freqüentat els grans laboratoris d'Alemanya o d'altres llocs. Però coneixia les lleis de Berthollet i el tractament de les sals, perquè el seu pare dirigia una salina. A més, era conscient del malbaratament d'aigües amoníaques a la companyia de gas del seu oncle, on havia treballat des dels vint-i-un anys. Tengué la mateixa idea brillant que uns quinze químics abans que ell, i aconseguí una patent el 1861. Ple de confiança perquè desconeixia les esperances frustrades dels seus predecessors, deixà la companyia de gas i establí una petita planta experimental amb el seu germà Alfred prop de Brussel·les. El 1863, animats per les primeres proves i amb l'ajuda financera de la seva família, els dos germans construïren una fàbrica de sosa a Couillet, prop de Charleroi. Quan obrí el 1865, res funcionà bé. Els incidents s'acumularen: la calç absorbia la humitat i s'esmicolava, la temperatura havia de ser regulada constantment i, finalment, el carbonador explotà i l'empresa tancà. El juliol de 1866, Ernest Solvay constituí dues noves empreses. A cada pas del procés, es trobava amb una dificultat tècnica que havia de resoldre abans de passar al següent pas. Però, lluny de desanimar-se, mai perdé la confiança i continuà endavant tossudament. La carbonatació de la salmorra d'amoníac plantejava dues dificultats importants, que es resolgueren el 1868. Per aconseguir una bona absorció de l'amoníac pel clorur de sodi en la solució, hi havia d'haver un bon contacte líquid-gas, i la calor despresa per l'absorció s'havia de dissipar. Ernest Solvay inventà una torre de refrigeració amb cent plaques i molts tamisadors i deflectors per augmentar el contacte entre els reactius. També introduí un forn de carbó de coc per recuperar les aigües amb amoníac, així com els subproductes de la destil·lació del quitrà de carbó.^[4]

Solvay progressà dels problemes a les solucions, i tengué la previsió de patentar cada etapa del procés en diversos països tan bon punt es desenvoluparen. El desembre de 1872, produïa dotze tones al dia. Construí una fàbrica de sosa a Dombasle, prop de Nancy, i l'alemany Ludwig Mond (1839-1909), un antic alumne de Robert Bunsen, llicencià les seves patents i les introduí a la Gran Bretanya, on construí una fàbrica a Cheshire. Tot i això, el procés Solvay no conquerí fàcilment el territori anglès. Les fàbriques de sosa Leblanc, pròsperes i ben arrelades, resistiren durant molt de temps: quaranta-vuit d'elles s'uniren el 1890 i, com a United Alkali, lideraren la competència durant uns quants anys més. Només decaigué sota l'assalt combinat del procés Solvay i el de la sosa produïda per electròlisi a partir de 1886. A França, on les fàbriques de sosa Leblanc ja estaven en declivi, el procés Solvay guanyà ràpidament una posició dominant. El 1874, es produïren 17 000 tones de sosa amònica a França i 56 000 tones de sosa Leblanc. El 1905, el procés Leblanc només va produir 6 000 tones, en comparació amb les 270 000 tones del procés Solvay. Alemanya i els Estats Units, que tenien poques fàbriques Leblanc, adoptaren el procés Solvay directament i amb més entusiasme perquè la demanda interna augmentava amb l'auge de les indústries químiques orgàniques a Alemanya. En total, el procés Solvay subministrar dos milions de tones, el 90 % de la producció mundial, el 1913.^[4]

Procés químic

Quan es fa passar amoníac i diòxid de carboni (tots dos en estat gasós) per una solució saturada de clorur de sodi es forma hidrogencarbonat de sodi i clorur d'amoni (tots dos solubles en aigua):^[5]^[6]^[7]

$\mathrm {NaCl(aq)+NH_{3}(g)+CO_{2}(g)+H_{2}O(l)} \longrightarrow \mathrm {NaHCO_{3}(aq)+NH_{4}Cl(aq)}$

L'hidrogencarbonat de sodi se separa de la solució per filtració i es transforma en carbonat de sodi per calcinació:

$\mathrm {2NaHCO_{3}(aq)} \xrightarrow {\Delta } \mathrm {Na_{2}CO_{3}(s)+H_{2}O(g)+CO_{2}(g)}$

El clorur d'amoni obtingut es fa reaccionar amb hidròxid de calci i es recupera amoníac:

$\mathrm {2NH_{4}Cl(aq)+Ca(OH)_{2}(aq)} \longrightarrow \mathrm {2NH_{3}(g)+2H_{2}O(l)+CaCl_{2}(aq)}$

L'òxid de calci es produeix en la mateixa fàbrica per calcinació de carbonat de calci i així es produeix el diòxid de carboni necessari en la primera reacció:

$\mathrm {CaCO_{3}(s)} \xrightarrow {\Delta } \mathrm {CaO(s)+CO_{2}(g)}$

Vegeu també

Referències

↑ PubChem. «Sodium Carbonate» (en anglès). [Consulta: 8 juny 2026].
↑ Kostick, Dennis (2006). "Soda Ash" Arxivat 2009-09-19 a Wayback Machine., 2005 Minerals Yearbook, United States Geological Survey.
1 2 Myers, Richard L. The 100 most important chemical compounds: a reference guide. Westport, Conn: Greenwood Press, 2007. ISBN 978-0-313-33758-1.
1 2 3 4 Bensaude-Vincent, Bernadette; Stengers, Isabelle. A History of Chemistry (en anglès). Harvard University Press, 1996. ISBN 978-0-674-39659-3.
↑ Speight, James. Chemical Process and Design Handbook. McGraw Hill, 2001. DOI 10.1036/0071374337. ISBN 0-07-137433-7.
↑ "Process Best Practices Reference Document (BREF) for Soda Ash," reportado por European Soda Ash Producer's Association Arxivat 2006-10-03 a Wayback Machine., marzo de 2004. Archivado en este original URL Arxivat 2008-04-07 a Wayback Machine..
↑ Moore, John T. Edd. Chemistry Made Simple. Broadway Books, 2005. ISBN 0-7679-1702-2.

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Procés Solvay

[1] PubChem. «Sodium Carbonate» (en anglès). [Consulta: 8 juny 2026].

[Kostick-2] Kostick, Dennis (2006). "Soda Ash" Arxivat 2009-09-19 a Wayback Machine., 2005 Minerals Yearbook, United States Geological Survey.

[:1-3] 1 2 Myers, Richard L. The 100 most important chemical compounds: a reference guide. Westport, Conn: Greenwood Press, 2007. ISBN 978-0-313-33758-1.

[:0-4] 1 2 3 4 Bensaude-Vincent, Bernadette; Stengers, Isabelle. A History of Chemistry (en anglès). Harvard University Press, 1996. ISBN 978-0-674-39659-3.

[5] Speight, James. Chemical Process and Design Handbook. McGraw Hill, 2001. DOI 10.1036/0071374337. ISBN 0-07-137433-7.

[ESAPA-6] "Process Best Practices Reference Document (BREF) for Soda Ash," reportado por European Soda Ash Producer's Association Arxivat 2006-10-03 a Wayback Machine., marzo de 2004. Archivado en este original URL Arxivat 2008-04-07 a Wayback Machine..

[7] Moore, John T. Edd. Chemistry Made Simple. Broadway Books, 2005. ISBN 0-7679-1702-2.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]