A nélkülözhetetlen vegyipar – online

A nátrium-karbonát vagy a természetben található, vagy nátrium-kloridból (konyhasó) állítják elő. Számos felhasználási területe van, nevezetesen az üveggyártásban.

A nátrium-karbonát felhasználása

A nátrium-karbonát (szóda) két formáját használják – a nehéz és a könnyű nátrium-karbonátot. Először a könnyű formát nyerik, majd egy részét átalakítják a nehéz formává. A könnyű nátrium-karbonát kevesebb mint 0,5% nátrium-kloridot tartalmaz. A nehéz nátrium-karbonátot a könnyű nátrium-karbonát monohidráttá (Na2CO3.H2O) hidratálásával, majd dehidratálásával nyerik, hogy nagyobb kristályméretű és sűrűségű terméket kapjanak.
A két minőséget különbözőképpen használják.

A nehéz nátrium-karbonát fő felhasználási területei szilárd anyagként, különösen az üveggyártásban, ahol a szilícium-dioxid (homok) olvasztásakor fluxusként használják.

A könnyű nátrium-karbonát felhasználási területei hagyományosan azok, ahol a vegyszerre oldatban van szükség.

1. ábra A nehéz és a könnyű nátrium-karbonát felhasználása.

A nátrium-karbonát össztermelésének mintegy 50%-át üveggyártásra, 18%-át egyéb vegyi anyagok előállítására, 10%-át pedig szappanokban és mosószerekben használják fel.

Nátrium-karbonát éves termelése

Kína a világ legnagyobb nátrium-karbonát gyártója, a világtermelés 46%-át, az USA 23%-át adja. (IHS Markit, 2015)

Adatok:
1. 2018 Elements of the Business of Chemistry, American Chemistry Council.
2. Ebből 14,7 tonnát bányásznak. Ennek túlnyomó többségét az Egyesült Államokban (11,7 millió tonna) és Törökországban (2 millió tonna) bányásszák. A többi nátrium-kloridból és kalcium-karbonátból készül.
3. IHS Markit, 2015
4. Szövetségi Állami Statisztikai Szolgálat: Orosz Föderáció 2011

Nátrium-karbonát gyártása

A nátrium-karbonátnak két fő forrása van:
a) sóból és kalcium-karbonátból (az ammóniás szóda (Solvay) eljáráson keresztül)
b) nátrium-karbonátból és hidrogénkarbonátos ércekből (trona és nahkolit)

a) nátrium-kloridból és kalcium-karbonátból

A teljes reakciót kalcium-karbonát és nátrium-klorid közötti reakciónak tekinthetjük:

A kalcium-karbonát azonban túlságosan oldhatatlan ahhoz, hogy sóoldattal reagáljon. Ehelyett a terméket hét lépésből álló sorozatban nyerik ki.

Az eljárást ammónia-szóda eljárásnak vagy Solvay-eljárásnak nevezik, nevét a belga ipari vegyészről kapta, aki 1861-ben szabadalmaztatta.

A Solvay-eljárás különböző szakaszai összekapcsolódnak, amint az alábbi ábrán és leírásban látható.

2. ábra A Solvay-eljárás különböző szakaszai.

(1) Sósav ammóniásítása

Az ammóniagázt tömény sósavban elnyelik, így nátrium-kloridot és ammóniát egyaránt tartalmazó oldatot kapnak. Na+(aq), Cl-(aq), NH4+(aq), OH-(aq) ionok és NH3(aq) vannak jelen.

(2) Kalcium-oxid és szén-dioxid képződése

A kemencéket mészkő/koksz keverékkel (13:1 tömegszázalék) táplálják. A koksz előmelegített levegő ellenáramában ég el:

Az égés hője megemeli a kemence hőmérsékletét és a mészkő lebomlik:

A kb. 40% szén-dioxidot tartalmazó gázt megszabadítják a mészportól és a karbonizáló (Solvay) tornyokba juttatják. A maradékot, a kalcium-oxidot az ammónia visszanyerésére használják fel (lásd a 7. lépést alább).

(3) A Solvay-torony

Ez a folyamat kulcsfontosságú szakasza. Az (1) lépésből származó ammóniás sóoldatot lefelé vezetik a Solvay-tornyon keresztül, míg a (2) és (5) lépésekből származó szén-dioxidot felfelé vezetik. A Solvay-torony magas, és egy sor gomba alakú terelőlapot tartalmaz, amelyek lelassítják és megszakítják a folyadékáramlást, hogy a szén-dioxidot hatékonyan fel tudja szívni az oldat. A szén-dioxid az oldódáskor reakcióba lép az oldott ammóniával, és ammónium-hidrogénkarbonát keletkezik:

Az oldat most Na+(aq), Cl-(aq), NH4+(aq) és HCO3-(aq) ionokat tartalmaz. A négy anyag közül, amelyek ezen ionok különböző kombinációiból keletkezhetnek, a nátrium-hidrogénkarbonát (NaHCO3) a legkevésbé oldható. Szilárd anyagként kicsapódik a torony alsó részében, amelyet lehűtünk. A nettó folyamat a következő:

A szilárd nátrium-hidrogénkarbonát szuszpenzióját ammónium-klorid oldatban a torony aljából kifolyatják.

(4) A szilárd nátrium-hidrogénkarbonát leválasztása

A szuszpenziót szűréssel elválasztják a szilárd nátrium-hidrogénkarbonátot az ammónium-klorid oldattól, amelyet azután a (7) szakaszban használnak fel.

(5) Nátrium-karbonát képződése

A nátrium-hidrogénkarbonátot forgó kemencében 450 K-on melegítik, hogy nátrium-karbonátra, vízre és szén-dioxidra bomoljon:

A szén-dioxidot visszaküldik a Solvay-toronyba a (3. lépésben történő felhasználásra.) Az eljárás termékét, a vízmentes nátrium-karbonátot finom fehér por formájában kapjuk, amelyet könnyű nátrium-karbonátnak nevezünk.

(6) Kalcium-hidroxid képződése

Az utolsó két lépés, (6) és (7) az ammónia regenerálásával foglalkozik (a 3. lépésben előállított) ammónium-kloridból. A (2. lépésből származó égetett meszet felesleges vízzel eliszapoljuk, így mésztejet kapunk:

(7) Ammónia regenerálása

Ezt a kalcium-hidroxid-szuszpenziót összekeverjük a (4. lépésből visszamaradt ammónium-klorid-oldattal és felmelegítjük:

Az ammóniát így nyerjük vissza, és visszaküldjük az (1. lépésbe.) Az egész folyamat egyetlen mellékterméke a kalcium-klorid.

A teljes folyamat elegáns. Elméletileg az egyetlen nyersanyag a mészkő és a sóoldat. Elkerülhetetlenül vannak ammóniaveszteségek, amelyeket az (1. lépésben szükséges extra készletek hozzáadásával pótolnak.

(b) Trona- és nahkolitércekből

A Solvay-eljárást az USA-ban nem alkalmazzák. Ehelyett az ipar két ércet használ, és ez a világ termelésének mintegy 30%-át teszi ki. Az egyik a trona, amely hatalmas mennyiségben található Wyomingban. A trona képlete:

Az ércet szilárd állapotban bányásszák, és a szén-dioxid kiűzéséhez felmelegítik, így nátrium-karbonátot kapnak:

A másik érc a nahcolit, ami nátrium-hidrogénkarbonát. Melegítés hatására nátrium-karbonátot képez.