Công nghệ Solvay

Công nghệ Solvay, hay còn gọi là Phương pháp Solvay, Phương pháp tuần hoàn amonia, hay Phương pháp ammonia - sôđa là phương pháp phổ biến nhất hiện nay để sản xuất sôđa (tên thông thường của Na₂CO₃). Phương pháp được sáng tạo bởi nhà hóa học người Bỉ là Ernest Solvay (1838 - 1922) vào năm 1846^[1], vì vậy nó được đặt theo tên ông. Đây là cách thức tổng hợp sôđa từ các nguyên liệu phổ biến và dễ sử dụng: muối ăn (NaCl), đá vôi (CaCO₃) và ]), cho thấy sự cải tiến so với phương pháp Leblanc trước đó.

Quá trình

Tổng quát

Theo phương pháp này, NaCl sau khi làm sạch các tạp chất được hòa tan bão hòa bằng dung dịch NH₃ đặc rồi cacbonat hóa dung dịch này bằng CO₂ (tạo ra từ quá trình nhiệt phân CaCO₃) cho tới khi tạo kết tinh natri bicacbonat (NaHCO₃) tách khỏi dung dịch, lọc rửa kết tinh và nhiệt phân NaHCO₃ sẽ thu được sôđa. Toàn bộ quá trình chủ yếu dựa vào phản ứng hóa học:

NaCl + NH₄HCO₃ ${\displaystyle \rightleftarrows }$ NaHCO₃ + NH₄Cl

Đây là một phản ứng thuận nghịch và các chất tham gia lẫn sản phẩm đều tan trong nước, tuy nhiên NaHCO₃ ít tan hơn ba chất còn lại, nên có thể lọc tách và nhiệt phân NaHCO₃ để tạo thành Na₂CO₃.^[2]

Quá trình cụ thể

Quá trình Solvay là một ví dụ về quy trình tuần hoàn trong ngành công nghiệp hóa học (xanh lục = chất phản ứng, đen = chất trung gian, màu đỏ = sản phẩm)

1. Hòa tan bão hòa NaCl trong dung dịch NH₃ đặc.
2. Nung CaCO₃ ở 950 - 1100 °C rồi dẫn khí thoát ra vào dung dịch bão hòa của NaCl trong NH₃, thực tế trong công nghiệp người ta sử dụng các phản ứng này^[1]:

   CaCO₃ → CaO + CO₂

   NaCl + NH₃ + CO₂ + H₂O ${\displaystyle \rightleftarrows }$ NaHCO₃ + NH₄Cl

3. Tách NaHCO₃ khỏi dung dịch nhờ tính tan. Nung NaHCO₃ ở nhiệt độ 450 - 500 °C thu được sôđa:

   2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

Quá trình nhiệt phân NaHCO₃ đã giải phóng một nửa lượng CO₂ đã sử dụng, khí này tiếp tục được đưa vào quá trình sản xuất. Còn sản phẩm phụ khác là NH₄Cl được chế hóa với vôi tôi (Ca(OH)₂) để thu lại khí NH₃ và sau đó khí này cũng được đưa trở lại quá trình:

2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2NH₃ + 2H₂O

Các khí CO₂, NH₃ bay lên được tuần hoàn trở lại, chất thải chính của quá trình là CaCl₂ và một số chất không phản ứng khác^[3]. NH₃ được tuần hoàn trong quá trình sản xuất, vì vậy phương pháp này còn gọi là phương pháp tuần hoàn amonia.

Ý nghĩa hóa học

Phương pháp Solvay cho phép điều chế được Na₂CO₃ và CaCl₂ từ NaCl và CaCO₃, mà theo lý thuyết thì phản ứng: 2NaCl + CaCO₃ → Na₂CO₃ + CaCl₂ không thể xảy ra được^[1][3], vì một trong các điều kiện để hai muối phản ứng được với nhau là cả hai đều phải tan được trong dung dịch.

Vấn đề hấp thụ cacbon

Các biến thể trong quá trình Solvay đã được đề xuất để hấp thụ cacbon. Ý tưởng là sử dụng CO₂, có thể sinh ra từ sự đốt cháy than, để tạo ra cacbonat rắn (như natri bicacbonat hay natri cacbonat) có thể được lưu trữ vĩnh viễn, do đó tránh phát thải CO₂ vào khí quyển^[4]. Các đề xuất từ biến thể trong quá trình Solvay nhằm chuyển đổi cacbon trong khí CO₂ thành cacbon trong natri cacbonat, nhưng hấp thu cacbon bằng calci hoặc magie cacbonat dường như hứa hẹn nhiều hơn. Tuy nhiên, lượng CO₂ thải ra bởi con người so với lượng có thể được sử dụng để hấp thụ cacbon bằng calci hoặc magnesi là rất cao. Hơn nữa, sự thay đổi trong quy trình của Solvay có lẽ sẽ thêm vào một bước năng lượng bổ sung, làm tăng lượng khí thải CO₂.

Chú thích

1. Hoàng Nhâm; Hóa học vô cơ cơ bản, tập hai - Các nguyên tố hóa học điển hình (2017); Nhà xuất bản Giáo dục; trang 47 - 48.
2. Mai Văn Ngọc; Giáo trình Hóa học vô cơ 1 - Các nguyên tố nhóm A (2014); Nhà xuất bản Đại học Sư phạm TP. Hồ Chí Minh; trang 236.
3. "Process Best Practices Reference Document (BREF) for Soda Ash," report produced by the European Soda Ash Producer's Association Lưu trữ 2006-10-03 tại Wayback Machine, March 2004. Archived at WebCite from this original URL Lưu trữ 2008-04-07 tại Wayback Machine on 2008-03-01.
4. Lackner, Klaus S. (2002). “Carbonate Chemistry for Sequestering Fossil Carbon”. Annual Review of Energy and the Environment. 27 (1): 193–232. doi:10.1146/annurev.energy.27.122001.083433.

Liên kết ngoài