Quá trình Solvay trong sản xuất pin Natri-Ion là gì?
Quá trình Solvay, còn được gọi là quá trình amoniac-soda, là quá trình công nghiệp chính để sản xuất tro soda (natri cacbonat ). Quá trình amoniac-soda được Ernest Solvay phát triển thành dạng hiện đại trong những năm 1860. Nguyên liệu cho quá trình này luôn sẵn có và rẻ tiền: nước muối (từ các nguồn trong đất liền hoặc từ biển) và đá vôi (từ các mỏ). Sản lượng tro soda trên toàn thế giới năm 2005 ước tính đạt 41,9 tỷ kg, tức là vài kg cho mỗi người trên trái đất. Các nhà máy hóa chất có trụ sở tại Solvay hiện sản xuất khoảng 3/4 nguồn cung này, phần còn lại được khai thác từ các mỏ tự nhiên.
Ernest Solvay đã phát triển quá trình amoniac-soda trong những năm 1860
Quy trình Solvay
Quy trình Solvay tạo ra tro soda (chủ yếu là natri cacbonat (Na2CO3 )) từ nước muối (là nguồn natri clorua (NaCl)) và từ đá vôi (là nguồn canxi cacbonat (CaCO 3 )). Quy trình tổng thể là:
2 NaCl + CaCO3 → Na2CO3 + CaCl2
Việc thực hiện thực tế phản ứng tổng thể, toàn cầu này rất phức tạp. Một mô tả đơn giản có thể được đưa ra bằng cách sử dụng bốn phản ứng hóa học tương tác khác nhau được minh họa trong hình. Trong bước đầu tiên của quá trình, carbon dioxide (CO2) đi qua dung dịch nước đậm đặc gồm natri clorua (NaCl) và amoniac (NH3).
NaCl + CO2 + NH3 + H2O → NaHCO3 + NH4Cl (I)
Trong thực tế công nghiệp, phản ứng được thực hiện bằng cách cho nước muối đậm đặc đi qua hai tháp. Đầu tiên, amoniac sủi bọt qua nước muối và được nước muối hấp thụ. Trong lần thứ hai, carbon dioxide nổi lên qua nước muối amoniac và natri bicarbonate (NaHCO3) kết tủa ra khỏi dung dịch. Lưu ý rằng, trong dung dịch bazơ , NaHCO 3 ít tan trong nước hơn natri clorua. Amoniac (NH3) đệm dung dịch ở độ pH cơ bản ; không có amoniac, sản phẩm phụ của axit clohydric sẽ làm cho dung dịch có tính axit và ngăn chặn sự kết tủa.
“Chất xúc tác” amoniac cần thiết cho phản ứng (I) được thu hồi ở bước sau và lượng amoniac được tiêu thụ tương đối ít. Carbon dioxide cần thiết cho phản ứng (I) được tạo ra bằng cách nung (” nung “) đá vôi ở 950 – 1100°C. Canxi cacbonat (CaCO3 ) trong đá vôi được chuyển hóa một phần thành vôi sống (canxi oxit (CaO)) và khí cacbonic:
CaCO3 → CO2 + CaO (II)
Natri bicarbonate (NaHCO3) kết tủa trong phản ứng (I) được lọc ra khỏi dung dịch amoni clorua (NH4Cl) nóng, và dung dịch này sau đó được phản ứng với vôi sống (canxi oxit (CaO)) còn sót lại khi đun nóng đá vôi ở bước (II).
2 NH4Cl + CaO → 2 NH3 + CaCl2 + H2O (III)
CaO tạo thành dung dịch bazơ mạnh. Amoniac từ phản ứng (III) được tái chế trở lại dung dịch nước muối ban đầu của phản ứng (I).
Natri bicarbonate (NaHCO3 ) kết tủa từ phản ứng (I) sau đó được chuyển thành sản phẩm cuối cùng là natri cacbonat (Na2CO3), bằng cách nung (160 – 230 C), tạo ra nước và carbon dioxide dưới dạng sản phẩm phụ:
2 NaHCO3 → Na 2 CO3 + H2O + CO2 (IV)
CO2 từ bước (IV) được thu hồi để tái sử dụng ở bước (I). Khi được thiết kế và vận hành hợp lý, nhà máy Solvay có thể thu hồi gần như toàn bộ lượng amoniac và chỉ tiêu thụ một lượng nhỏ amoniac bổ sung để bù đắp tổn thất. Đầu vào chính duy nhất của quá trình Solvay là muối, đá vôi và năng lượng nhiệt, và sản phẩm phụ chính duy nhất của nó là canxi clorua , được bán dưới dạng muối đường.
Các chi tiết bổ sung về việc thực hiện quá trình này trong công nghiệp có sẵn trong báo cáo được chuẩn bị cho Hiệp hội các nhà sản xuất tro soda Châu Âu.
Công dụng của tro soda
Tro soda được sử dụng trong nhiều quá trình công nghiệp và việc sản xuất nó đôi khi được sử dụng như một chỉ số về sức khỏe kinh tế. Các mục đích sử dụng chính hiện nay bao gồm:
Sản xuất thủy tinh: Hơn một nửa sản lượng tro soda trên toàn thế giới được sử dụng để sản xuất thủy tinh. Chai thủy tinh và kính cửa sổ (thủy tinh soda-vôi) được tạo ra bằng cách nấu chảy hỗn hợp natri cacbonat, canxi cacbonat và cát silic (silicon dioxide (SiO2)).
Xử lý nước: Natri cacbonat dùng để làm mềm nước (kết tủa Mg2+ và Ca2+ cacbonat). Chất này được sử dụng cả trong công nghiệp và dân dụng (trong một số loại bột giặt).
Làm xà phòng và chất tẩy rửa: Thông thường natri cacbonat được sử dụng như một chất thay thế rẻ hơn cho dung dịch kiềm (natri hydroxit (NaOH)).
Sản xuất giấy: Natri cacbonat được sử dụng để tạo ra natri bisulfite (NaHSO3 ) cho phương pháp “sulfite” tách lignin khỏi xenlulo.
Là chất nền phổ biến trong nhiều nhà máy hóa chất vì nó rẻ hơn NaOH và an toàn hơn nhiều khi xử lý.
Làm natri bicarbonate : NaHCO3 được dùng trong baking soda và bình chữa cháy. Mặc dù NaHCO3 được sản xuất theo quá trình Solvay, đun nóng nó để loại bỏ amoniac bị ô nhiễm sẽ phân hủy một số NaHCO3 , do đó thực sự rẻ hơn nếu phản ứng sản phẩm Na2CO3 thành phẩm với CO2 .
Loại bỏ sulfur dioxide (SO2) khỏi khí thải của các nhà máy điện. Điều này đang trở nên phổ biến hơn, đặc biệt là khi các trạm phải đáp ứng các biện pháp kiểm soát khí thải nghiêm ngặt.
Lịch sử
Cái tên “tro soda” được đặt theo phương pháp chính để thu được kiềm, đó là sử dụng nước để chiết xuất nó từ tro. Cháy rừng tạo ra kali và hoạt chất kali cacbonat. Từ “soda” (từ tiếng Latin Trung cổ) ban đầu dùng để chỉ một số loại cây mọc ở vùng đầm lầy ngập mặn; người ta phát hiện ra rằng tro của những loại cây này tạo ra “tro soda” có tính kiềm hữu ích. Việc trồng những loại cây như vậy để sản xuất tro soda đã đạt đến mức phát triển đặc biệt cao vào thế kỷ 18 ở Tây Ban Nha, nơi loài cây này được đặt tên là barrilla; từ tiếng Anh là “barilla.” Tro của tảo bẹ cũng tạo ra tro soda, và là nền tảng của một ngành công nghiệp khổng lồ ở Scotland vào Thế kỷ 18. Chất kiềm cũng được khai thác từ lòng hồ khô ở Ai Cập.
Tuy nhiên, vào cuối những năm 1700, những nguồn này không đủ để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của châu Âu về chất kiềm cho các ngành công nghiệp xà phòng, dệt may và thủy tinh. Năm 1791, bác sĩ người Pháp Nicolas Leblanc đã phát triển phương pháp sản xuất tro soda bằng muối, đá vôi, axit sulfuric và than đá. Mặc dù quá trình Leblanc đã chiếm ưu thế trong sản xuất kiềm vào đầu những năm 1800, nhưng chi phí đầu vào và các sản phẩm phụ gây ô nhiễm của nó (bao gồm cả khí axit clohydric) khiến rõ ràng rằng đó không phải là một giải pháp lý tưởng
Có báo cáo rằng, vào năm 1811, nhà vật lý nổi tiếng người Pháp Augustin Jean Fresnel đã phát hiện ra rằng natri bicarbonate kết tủa khi carbon dioxide được sủi bọt qua nước muối chứa amoniac – đây là phản ứng hóa học trung tâm của quá trình Solvay. Khám phá này đã không được công bố. Như Desmond Reilly đã lưu ý, “Câu chuyện về sự tiến triển của quá trình amoni-soda là một ví dụ thú vị về cách thức mà một khám phá có thể được thực hiện rồi đặt sang một bên và không được áp dụng trong một thời gian đáng kể sau đó.” [10] Việc xem xét nghiêm túc phản ứng này là cơ sở của một quy trình công nghiệp bắt đầu từ bằng sáng chế của Anh cấp năm 1834 cho HG Dyan và J. Henning. Đã có một số nỗ lực nhằm giảm bớt phản ứng này đối với hoạt động công nghiệp, với những thành công khác nhau.
Năm 1861, nhà hóa học công nghiệp người Bỉ Ernest Solvay chuyển sự chú ý của mình sang vấn đề này; dường như anh ta hầu như không biết gì về công việc rộng rãi trước đó. Giải pháp của ông, một tháp hấp thụ khí cao 80 foot, trong đó carbon dioxide sủi bọt qua dòng nước muối chảy xuống, cùng với việc thu hồi và tái chế amoniac hiệu quả, đã tỏ ra hiệu quả, và đến năm 1864, Solvay và anh trai Alfred đã có được sự hỗ trợ tài chính tốt và xây dựng một nhà máy ở thị trấn Charleroi của Bỉ. Quá trình mới tỏ ra kinh tế hơn và ít gây ô nhiễm hơn so với phương pháp Leblanc, và việc sử dụng nó ngày càng lan rộng. Năm 1874, Solvays mở rộng cơ sở của mình với một nhà máy mới lớn hơn ở Nancy, Pháp.
Cùng năm đó, Ludwig Mond đến thăm Solvay ở Bỉ và giành được quyền sử dụng công nghệ mới. Ông và John Brunner thành lập công ty Brunner, Mond & Co. , và xây dựng nhà máy Solvay tại Winnington, gần Northwich, Cheshire, Anh. Cơ sở này bắt đầu hoạt động vào năm 1874. Mond là người có vai trò quan trọng trong việc đưa quá trình Solvay thành công về mặt thương mại; ông đã thực hiện một số cải tiến từ năm 1873 đến năm 1880 nhằm loại bỏ các sản phẩm phụ có thể làm chậm hoặc ngừng quá trình sản xuất hàng loạt natri cacbonat thông qua quá trình sử dụng quá trình này.
Năm 1884, anh em nhà Solvay cấp phép cho người Mỹ William B. Cogswell và Rowland Hazard sản xuất tro soda tại Hoa Kỳ, đồng thời thành lập một liên doanh (Solvay Process Company) để xây dựng và vận hành một nhà máy ở Solvay, New York.
Đến những năm 1890, các nhà máy chế biến Solvay đã sản xuất phần lớn tro soda trên thế giới.
Năm 1938, các mỏ khoáng sản tự nhiên lớn Trona được phát hiện gần sông Green ở Wyoming. Natri cacbonat có thể được khai thác từ nguồn này với chi phí thấp hơn so với việc nó được sản xuất bằng quá trình Solvay, và với việc đóng cửa nhà máy Solvay, New York ban đầu vào năm 1986, không có nhà máy nào có trụ sở tại Solvay hoạt động ở Bắc Mỹ. Tuy nhiên, ở khắp nơi trên thế giới, quá trình Solvay vẫn là nguồn sản xuất tro soda chính.
Sản phẩm phụ và chất thải
Sản phẩm phụ chính của quá trình Solvay là canxi clorua (CaCl2) trong dung dịch nước. Quá trình này còn có các chất thải và sản phẩm phụ khác. Không phải tất cả đá vôi được nung đều chuyển thành vôi sống và carbon dioxide (trong phản ứng II); canxi cacbonat còn sót lại và các thành phần khác của đá vôi trở thành chất thải. Ngoài ra, nước muối được sử dụng trong quá trình này thường được tinh chế để loại bỏ các ion magie và canxi, thường tạo thành cacbonat; nếu không, những tạp chất này sẽ dẫn đến cặn bám trong các bình và tháp phản ứng khác nhau. Những cacbonat này là những sản phẩm thải bổ sung.
Ở các nhà máy nội địa, chẳng hạn như ở Solvay, New York, các sản phẩm phụ đã được lắng đọng trong các “giường thải”; trọng lượng của vật liệu lắng đọng trong các bãi thải này vượt quá trọng lượng của tro soda được tạo ra khoảng 50%. Những lớp chất thải này đã dẫn đến ô nhiễm nguồn nước, chủ yếu là do các ion canxi và clo. Các bãi thải ở Solvay, New York đã làm tăng đáng kể độ mặn ở hồ Onondaga gần đó, một trong những hồ ô nhiễm nhất ở Mỹ và là một địa điểm ô nhiễm siêu lớn. Khi các bãi rác thải này già đi, chúng bắt đầu hỗ trợ các cộng đồng thực vật vốn là chủ đề của một số nghiên cứu khoa học.
Tại các địa điểm ven biển, chẳng hạn như ở Saurashtra, Gujarat, Ấn Độ, và tại Osborne, Nam Úc, dung dịch CaCl2 có thể được thải trực tiếp ra biển mà dường như không gây hại đáng kể cho môi trường. Trong quá trình Solvay “sửa đổi”, CaCl2 được thay thế bằng amoni clorua (NH4Cl). NH4Cl, có thể được sử dụng làm phân bón, có thể có giá trị thương mại lớn hơn CaCl2 , do đó làm giảm diện tích các bãi thải.
Cô lập carbon và quá trình Solvay
Các biến thể trong quá trình Solvay đã được đề xuất để cô lập cacbon. Một ý tưởng là phản ứng với carbon dioxide, có lẽ được tạo ra bởi quá trình đốt than, để tạo thành cacbonat rắn (như natri bicarbonate) có thể được lưu trữ vĩnh viễn, do đó tránh phát thải carbon dioxide vào khí quyển. Các biến thể trong quá trình Solvay đã được đề xuất để chuyển lượng khí thải carbon dioxide thành natri cacbonat, nhưng việc cô lập carbon bằng canxi hoặc magiê cacbonat có vẻ hứa hẹn hơn.
Theo Chemeurope
Hãy để LITHACO đồng hành cùng các bạn trong hành trình chuyển đổi năng lượng, vui lòng liên hệ với chúng tôi theo các cách sau:
- Hotline: 1900 25 25 27
- Số điện thoại: 0918.886.502, 094.181.2233
- Zalo: 094.181.2233
- Địa chỉ: Tầng 12 Tòa nhà BW, số 15 Võ Văn Kiệt, Phường 16, Quận 8, TP.HCM
- Website: https://lithaco.vn
- Facebook: https://www.facebook.com/Lithaco.vn/
Bài Viết Liên Quan
![[Điện mặt trời có lưu trữ] – Mọi điều bạn cần biết](https://lithaco.vn/wp-content/uploads/2024/03/D-1-414x259.png "[Điện mặt trời có lưu trữ] – Mọi điều bạn cần biết 30")
