Solvay süreci - Solvay process
Solvay işlemi veya amonyak-soda prosesi üretimi için önemli bir endüstriyel işlem olup , sodyum karbonat (soda külü, Na 2 CO 3 ). Amonyak-soda süreci, 1860'larda Belçikalı kimyager Ernest Solvay tarafından modern formuna dönüştürülmüştür . Bunun için gerekli malzemeler hazır ve ucuzdur: tuzlu su (iç kaynaklardan veya denizden) ve kireçtaşı (taş ocaklarından). 2005 yılında dünya çapında soda külü üretiminin 42 milyon ton olduğu tahmin edilmektedir, bu da dünyadaki her insan için yılda altı kilogramdan (13 lb) fazladır. Solvay bazlı kimyasal tesisler artık bu arzın kabaca dörtte üçünü üretiyor ve geri kalanı doğal tortulardan çıkarılıyor. Bu yöntem, Leblanc sürecinin yerini aldı .
Tarih
"Soda külü" adı, alkaliyi belirli bitkilerin küllerinden çıkarmak için su kullanmak olan, alkali elde etmenin başlıca tarihsel yöntemine dayanmaktadır. Odun ateşlerinde potas ve baskın bileşeni potasyum karbonat (K 2 CO 3 ), bu özel bitkilerden elde edilen küller "soda külü" ve bunun baskın bileşeni sodyum karbonat (Na 2 CO 3 ) verdi. "Soda" kelimesi (Orta Latince'den gelir) başlangıçta tuzda çözünenlerde yetişen belirli bitkilere atıfta bulunur; bu bitkilerin küllerinin faydalı alkali soda külü verdiği keşfedildi. Bu tür bitkilerin yetiştirilmesi, bitkilerin barrilla olarak adlandırıldığı 18. yüzyılda İspanya'da özellikle yüksek bir gelişme durumuna ulaştı ; İngilizce kelime " barilla " dır . Kelp külleri ayrıca soda külü verir ve İskoçya'da 18. yüzyıldaki muazzam bir endüstrinin temeliydi. Alkali ayrıca Mısır'daki kuru göl yataklarından da çıkarıldı.
18. yüzyılın sonlarında bu kaynaklar Avrupa'nın sabun, tekstil ve cam endüstrileri için artan alkali talebini karşılamada yetersizdi. 1791'de Fransız doktor Nicolas Leblanc , tuz, kireçtaşı , sülfürik asit ve kömür kullanarak soda külü üretmek için bir yöntem geliştirdi . Leblanc prosesi 19. yüzyılın başlarında alkali üretimine hakim olmasına rağmen, girdilerinin maliyeti ve kirletici yan ürünleri ( hidrojen klorür gazı dahil ) ideal bir çözümden uzak olduğunu açıkça ortaya koydu.
1811'de Fransız fizikçi Augustin Jean Fresnel'in , Solvay sürecinin merkezindeki kimyasal reaksiyon olan amonyak içeren tuzlu sulardan karbondioksit kabarcıkları geçirildiğinde sodyum bikarbonatın çökeldiğini keşfettiği bildirildi . Keşif yayınlanmadı. Desmond Reilly'nin de belirttiği gibi, "Amonyum-soda sürecinin evriminin öyküsü, bir keşfin yapılıp daha sonra bir kenara bırakılıp daha sonra uzun bir süre uygulanmamasının ilginç bir örneğidir." Bu reaksiyonun endüstriyel bir işlemin temeli olarak ciddi şekilde değerlendirilmesi, 1834'te HG Dyar ve J. Hemming'e verilen İngiliz patentinden kaynaklanmaktadır. Bu tepkiyi endüstriyel uygulamaya indirgemek için çeşitli başarılarla çeşitli girişimlerde bulunuldu.
1861'de Belçikalı endüstriyel kimyager Ernest Solvay dikkatini soruna çevirdi; görünüşe göre daha önceki kapsamlı çalışmalardan büyük ölçüde habersizdi. Onun çözümü, karbondioksitin alçalan tuzlu su akışıyla kabardığı 24 metrelik (79 ft) bir gaz absorpsiyon kulesi. Bu, amonyağın verimli bir şekilde geri kazanılması ve geri dönüştürülmesiyle birlikte etkili oldu. 1864'te Solvay ve kardeşi Alfred mali destek aldı ve bugün Belçika'nın Charleroi kasabasının bir banliyösü olan Couillet'te bir fabrika inşa ettiler . Yeni süreç, Leblanc yönteminden daha ekonomik ve daha az kirletici olduğunu kanıtladı ve kullanımı yaygınlaştı. 1874'te Solvay'ler , Fransa'nın Nancy kentinde yeni ve daha büyük bir fabrika ile tesislerini genişletti .
Aynı yıl, Ludwig Mond Belçika'da Solvay'ı ziyaret etti ve yeni teknolojiyi kullanma haklarını elde etti. O ve John Brunner , Brunner, Mond & Co. şirketini kurdular ve Northwich , Cheshire , İngiltere yakınlarındaki Winnington'da bir Solvay tesisi kurdular . Tesis 1874'te faaliyete başladı. Mond, Solvay sürecinin ticari bir başarıya ulaşmasında etkili oldu. 1873 ve 1880 arasında, süreci yavaşlatabilecek veya durdurabilecek yan ürünleri ortadan kaldıran birkaç iyileştirme yaptı.
1884'te Solvay kardeşler, Amerikalı William B. Cogswell ve Rowland Hazard'a ABD'de soda külü üretmeleri için lisans verdiler ve Solvay, New York'ta bir fabrika inşa etmek ve işletmek için bir ortak girişim ( Solvay Process Company ) kurdular .
1890'lara gelindiğinde, Solvay proses tesisleri dünyadaki soda külünün çoğunu üretti.
Mineral 1938 büyük yataklarının olarak trona yakın keşfedildi Green River içinde Wyoming sodyum karbonat daha ucuza işlemle üretilen daha ekstre edilebildiği. Solvay, New York'taki orijinal fabrikanın 1986'da kapanmasıyla birlikte, Kuzey Amerika'da faaliyet gösteren Solvay merkezli fabrika kalmadı . Dünyanın geri kalanında Solvay süreci, soda külünün ana kaynağı olmaya devam ediyor.
Kimya
Soda külü içindeki Solvay işlemi sonuçları (özellikle sodyum karbonat (Na 2 CO 3 ) 'den) , tuzlu su (bir kaynağı olarak sodyum klorür (NaCI)) ve gelen kireçtaşı (bir kaynağı olarak kalsiyum karbonat (CaCOs 3 )). Genel süreç:
Bu küresel, genel tepkinin fiili uygulaması karmaşıktır. Şekilde gösterilen dört farklı, etkileşimli kimyasal reaksiyon kullanılarak basitleştirilmiş bir açıklama verilebilir. İşlemde birinci aşamada, karbon dioksit (CO 2 ), konsantre geçer sulu çözelti sodyum klorür (sofra tuzu, NaCl) ve amonyak (NH 3 ).
- ---(BEN)
Endüstriyel uygulamada reaksiyon, iki kuleden konsantre tuzlu su (tuzlu su) geçirilerek gerçekleştirilir. İlkinde, amonyak tuzlu su boyunca kabarır ve onun tarafından emilir. İkincisinde, karbon dioksit, amonyaklı tuzlu sudan kabarcıklar halinde çıkar ve çözeltiden sodyum bikarbonat (kabartma tozu) çöker. Not, sonra, bir bazik çözelti , NaHCO 3 daha az suda çözünür sodyum klorür daha uzundur. Amonyak (NH 3 ) tampon , bir bazik (yüksek) çözeltinin pH ; amonyak olmadan, bir hidroklorik asit yan ürünü, çözeltiyi asidik hale getirecek ve çökelmeyi durduracaktır. Burada, NH 4 amonyaklı tuzlu su ile birlikte, bir "ana sıvı" olarak hareket eder.
(I) reaksiyonu için gerekli amonyak "katalizörü" daha sonraki bir aşamada geri kazanılır ve nispeten az amonyak tüketilir. Reaksiyon (I) için gerekli karbon dioksit , kireçtaşının 950-1100 °C'de ısıtılması (" kalsinasyon ") ve sodyum bikarbonatın kalsinasyonu (aşağıya bakınız) ile üretilir. Kireç taşındaki kalsiyum karbonat (CaCO 3 ) kısmen sönmemiş kire (kalsiyum oksit (CaO)) ve karbondioksite dönüştürülür:
- ---(II)
Sodyum bikarbonat (NaHCOs 3 reaksiyonda (I) 'sıcak amonyum klorür (NH dan filtrelenir üzerinden çökeltiler olduğu) 4 CI) çözeltisi ve çözelti daha sonra ile reaksiyona sokulur sönmemiş (kalsiyum oksit (CaO)) ısıtma kalan (II) adımındaki kireçtaşı.
- ---(III)
CaO güçlü bir temel çözüm sunar. (III) reaksiyonundan gelen amonyak, reaksiyon (I)'in ilk tuzlu su çözeltisine geri döndürülür.
Sodyum bikarbonat (NaHCOs 3 :) Reaksiyondan elde edilen çökelti (I), daha sonra nihai ürün, sodyum karbonat (Na çamaşır sodası dönüştürülür 2 CO 3 ile) kalsinasyon yan ürünler olarak su ve karbon dioksit üretmek (160-230 ° C) :
- ---(IV)
Adım (IV)'teki karbon dioksit, adım (I)'de yeniden kullanım için geri kazanılır. Bir Solvay tesisi, uygun şekilde tasarlanıp çalıştırıldığında, amonyakının neredeyse tamamını geri kazanabilir ve kayıpları telafi etmek için yalnızca küçük miktarlarda ek amonyak tüketir. Solvay prosesinin tek büyük girdisi tuz, kireçtaşı ve termal enerjidir ve tek ana yan ürünü , bazen yol tuzu olarak satılan kalsiyum klorürdür .
Çinli kimyager Hou Debang tarafından 1930'larda geliştirilen modifiye Solvay prosesinde , ilk birkaç adım Solvay prosesi ile aynıdır. Bununla birlikte, CaC 2 supplanted olan amonyum klorür (NH 4 Cl). Kalan çözeltiyi kireçle işlemek yerine, çözeltiye karbondioksit ve amonyak pompalanır, ardından çözelti 40 °C'de doygun hale gelene kadar sodyum klorür eklenir. Daha sonra çözelti 10 °C'ye soğutulur. Amonyum klorür çökelir ve süzülerek çıkarılır ve çözelti daha fazla sodyum karbonat üretmek için geri dönüştürülür. Hou'nun süreci, kalsiyum klorür üretimini ortadan kaldırır. Yan ürün amonyum klorür gübre olarak kullanılır ve CaCl daha büyük bir ticari değere sahip olabilir, rafine edilebilir 2 , böylece atık yatak ölçüde azaltır.
Bu sürecin endüstriyel uygulamasına ilişkin ek ayrıntılar, Avrupa Soda Külü Üreticileri Birliği için hazırlanan raporda mevcuttur.
Yan ürünler ve atıklar
Solvay işlemi başlıca bir yan ürünü olan kalsiyum klorür (CaC 2 sulu çözelti içinde). İşlemin başka atıkları ve yan ürünleri de vardır. Kalsine edilen tüm kireçtaşı sönmemiş kireç ve karbon dioksite dönüştürülmez (reaksiyon II'de); kalıntı kalsiyum karbonat ve kireçtaşının diğer bileşenleri atık haline gelir. Ek olarak, işlem tarafından kullanılan tuzlu su, genellikle, tipik olarak karbonatlar oluşturmak üzere magnezyum ve kalsiyum iyonlarını uzaklaştırmak için saflaştırılır; aksi takdirde, bu safsızlıklar çeşitli reaksiyon kaplarında ve kulelerde kireçlenmeye yol açacaktır. Bu karbonatlar ek atık ürünlerdir.
Solvay, New York'taki gibi iç tesislerde, yan ürünler "atık yataklarında" birikmiştir; bu atık yataklarında biriken malzemenin ağırlığı, üretilen soda külünün ağırlığını yaklaşık %50 oranında aşmıştır. Bu atık yatakları, başta kalsiyum ve klorür olmak üzere su kirliliğine yol açmıştır. Solvay atık yataklar, New York ölçüde yakın tuzluluk arttı Onondaga Gölü'nde ABD'de en kirlenmiş göller arasında eskiden ve bir olduğunu, süper rezerv kirliliği sitesi. Bu tür atık yatakları yaşlandıkça, çeşitli bilimsel çalışmalara konu olan bitki topluluklarını desteklemeye başlarlar.
Saurashtra , Gujarat, Hindistan gibi deniz kenarındaki konumlarda, CaCl 2 solüsyonu, görünüşe göre önemli çevresel zarar vermeden doğrudan denize boşaltılabilir, en büyük endişe, boşaltma yerinin Kutch Körfezi Deniz Ulusal Parkı'na denk gelmesidir. mercan resifleri, deniz yosunu ve deniz yosunu topluluğu için yaşam alanı olarak. At Osborne, Güney Avustralya , bir çökeltme havuzu şimdi CaCl% 99 kaldırmak için kullanılır 2 eski boşaltma nakliye kanalı çamurla dolmaya gibi. At Rosignano Solvay Toskana, İtalya Solvay fabrikasında üretilen kalker atık "Spiagge Bianche" ( "Beyaz Plaj") üreten, manzara değişti. Birleşmiş Milletler Çevre Programı (UNEP) tarafından 1999 yılında yayınlanan bir raporda, Spiagge Bianche, Akdeniz'in kıyı bölgelerindeki öncelikli kirlilik noktaları arasında sıralanmıştır.
Karbon tutma ve Solvay süreci
Solvay sürecindeki varyasyonlar, karbon tutma için önerilmiştir . Bir fikir, belki de kömürün yanması ile üretilen karbondioksiti, kalıcı olarak depolanabilecek katı karbonatlar (sodyum bikarbonat gibi) oluşturmak için reaksiyona sokmak ve böylece atmosfere karbondioksit emisyonunu önlemektir . Solvay süreci, genel reaksiyonu verecek şekilde değiştirilebilir:
- 2 NaCl + CaCO 3 + CO
2+ H
2O → 2NaHCO 3 + CaC 2
Solvay işlemindeki varyasyonların, karbondioksit emisyonlarını sodyum karbonatlara dönüştürmek için önerilmiştir, ancak kalsiyum veya magnezyum karbonatlarla karbon tutulması daha umut verici görünmektedir. Ancak, kalsiyum veya magnezyum ile karbon sekestrasyonu için kullanılabilecek miktarla karşılaştırıldığında, insanoğlunun tükettiği karbondioksit miktarı çok düşüktür. Ayrıca, Solvay sürecindeki varyasyon, büyük olasılıkla, karbondioksit emisyonlarını artıracak ek bir enerji adımı ekleyecektir.
Ayrıca bakınız
Referanslar
daha fazla okuma
- Moffat, Wicky; Walmsley, MRW (2006). "Enerji Maliyetinin Azaltılması için Kireç Kalsinasyon Kinetiğini Anlamak" . Güney Afrika Kağıt Hamuru ve Kağıt Endüstrisi Teknik Derneği. Kireç taşını kalsine etmek için gereken minimum enerji, ton başına yaklaşık 3.16 gigajoule (3.00 milyon İngiliz ısı birimi)'dir.