솔베이 공정

Solvay process

Solvay 공정 또는 암모니아-소다 공정은 탄산나트륨(소다재, NaCO23) 생산을 위한 주요 산업 공정입니다.암모니아-소다 과정은 1860년대 [1]벨기에의 화학자 어니스트 솔베이에 의해 현대적인 형태로 개발되었다.이것의 재료는 쉽게 구할 수 있고 저렴하다: 소금 소금물(내륙 소스 또는 바다에서)과 석회석(채석장에서).2005년 전 세계 소다재 생산량은 4200만 [2]톤으로 추정되며, 이는 지구인 1인당 연간 6kg(13파운드) 이상이다.솔베이에 기반을 둔 화학 공장들은 현재 이 공급의 약 3/4을 생산하고 있고, 나머지는 천연 광상으로부터 채굴되고 있다.이 방법은 르블랑 프로세스를 대체했습니다.

역사

참고 항목: 알칼리, 칼륨, 소다재, 르블랑 공정 및 트로나

"소다재"라는 이름은 알칼리를 얻는 주요한 역사적 방법에 근거한다. 알칼리는 물을 사용하여 특정 식물의 재에서 추출하는 것이다.목재 화재는 칼륨과 주요 성분인 탄산칼륨(KCO23)을 발생시킨 반면, 이 특별한 식물의 재는 "소다재"와 주요 성분인 탄산나트륨(NaCO23)을 발생시켰습니다."소다"라는 단어는 원래 소금 용질에서 자라는 특정 식물들을 가리켰다; 이 식물들의 재들이 유용한 알칼리 소다 회분을 생산한다는 것이 발견되었다.이러한 식물의 재배는 18세기에 스페인에서 특히 발달의 높은 단계에 이르렀고, 그곳에서 식물의 이름은 바리야로 영어 단어는 "바리야"[3][4][5]입니다.다시마의 재는 또한 소다수를 생산하며,[6] 스코틀랜드의 거대한 18세기 산업의 기초가 되었다.알칼리는 이집트의 건조한 호수 바닥에서도 채굴되었다.

18세기 후반까지 이러한 공급원은 비누, 섬유,[7] 유리 산업에 대한 유럽의 급증하는 알칼리 수요를 충족시키기에 충분하지 않았다.1791년 프랑스의 의사 니콜라스 르블랑은 소금, 석회암, 황산, 석탄을 사용하여 소다수를 제조하는 방법을 개발했습니다.르블랑 공정이 19세기 초에 알칼리 생산을 지배하게 되었지만, 그 투입물과 오염 부산물(염화수소 가스 포함)의 비용은 이것이 이상적인 [7][8]해결책과는 거리가 멀다는 것을 분명히 했다.

1811년 프랑스 물리학자 오귀스틴 장 프레넬이 암모니아가 함유된 염수를 통해 이산화탄소가 거품이 일 때 중탄산나트륨이 침전된다는 것을 발견했다고 보고되었는데, 이것은 솔베이 과정의 핵심 화학 반응이다.그 발견은 출판되지 않았다.데스몬드 라일리가 지적한 바와 같이, "암모늄 소다 공정의 진화에 대한 이야기는 발견이 이루어지고 그 [9]후 상당한 시간 동안 적용되지 않는 흥미로운 방법의 한 예이다."산업 공정의 기초로서의 이 반응에 대한 진지한 고려는 1834년 영국 특허에서 H. G. Dyar와 J.에 이르기까지 거슬러 올라간다.헤밍.산업 관행에 대한 이러한 반응을 줄이기 위한 몇 가지 시도가 있었으며 다양한 성공이 있었다.

1861년 벨기에의 산업 화학자 Ernest Solvay는 이 문제에 관심을 돌렸습니다; 그는 분명히 이전의 광범위한 [8]연구에 대해 알지 못했습니다.그의 해결책은 24미터(79피트)의 가스 흡수 타워인데, 이 타워에서는 염수의 하강 흐름을 통해 이산화탄소가 거품이 일었습니다.이것은 암모니아를 효율적으로 회수하고 재활용하는 것과 함께 효과가 있음이 입증되었다.1864년 솔베이와 그의 형 알프레드는 재정적인 지원을 얻어 오늘날 벨기에 도시 샤를로이의 교외인 쿨레에 공장을 지었다.새로운 공정은 르블랑 방법보다 더 경제적이고 오염이 덜하다는 것이 입증되었고, 그 사용은 확산되었다.1874년, Solvay 부부는 프랑스 낸시에 새로운 더 큰 공장을 가지고 그들의 시설을 확장했다.

같은 해, 루드비히 몬드는 벨기에의 솔베이를 방문해 새로운 기술을 사용할 수 있는 권리를 취득했다.그는 존 브루너와 함께 영국 체셔 노스위치 인근 위닝턴에 브루너, 몬드앤코퍼레이션의 회사를 설립하고 솔베이 공장을 세웠다.그 시설은 1874년에 가동되기 시작했다.Mond는 Solvay 프로세스를 상업적으로 성공시키는 데 중요한 역할을 했습니다.그는 1873년과 1880년 사이에 이 과정을 늦추거나 멈출 수 있는 부산물을 제거하는 몇 가지 개선을 했다.

1884년, 솔베이 형제는 미국인 윌리엄 B에게 면허를 주었다.Cogswell과 Rowland Hazard는 미국에서 소다수를 생산하기 위해 합작회사(Solvay Process Company)를 설립하여 뉴욕주 Solvay에 공장을 건설 및 운영하고 있습니다.

뉴욕 솔베이에 있는 솔베이 공정 공장; 이리 운하는 1917년까지 이 공장을 통과했습니다.Solvay, New York, Public Library의 Solvay Process 컬렉션.

1890년대까지, 솔베이 공정 공장들은 전 세계 소다수의 소다수를 생산했다.

1938년 와이오밍의 그린 강 근처에서 광물로나의 다량의 퇴적물이 발견되었는데, 이 과정에서 생산되는 것보다 더 저렴하게 탄산나트륨을 추출할 수 있다.1986년 원래 뉴욕의 솔베이 공장이 문을 닫으면서, 현재 워싱턴의 롱뷰 시에 솔베이 공장이 가동되고 있다.제지공장을 공급하는 곳이죠전 세계 솔베이 공정은 소다수의 주요 공급원으로 남아 있다.

화학

Solvay 프로세스의 화학.각 원은 반응을 나타냅니다.
화학 산업의 순환 공정의 예로서의 Solvay 공정(녹색 = 반응물, 검은색 = 중간체, 빨간색 = 제품)

Solvay 공정은 소금물(염화나트륨(NaCl)의 공급원으로서)과 석회석(CaCO(탄산칼슘(CaCO3)[8]의 공급원으로서)에서 소다회(NaCO)를23 생성한다.전체적인 프로세스는 다음과 같습니다.

이 글로벌하고 전체적인 반응의 실제 실장은 [10][11][12]복잡합니다.그림에 표시된 네 가지 서로 다른 상호작용 화학 반응을 사용하여 간단한 설명을 제공할 수 있습니다.첫 번째 공정에서는 이산화탄소(CO2)가 염화나트륨(탁상염, NaCl)과 암모니아(NH3)의 농축수용액을 통과한다.

+ O + Cl{+ + +>+ Cl ---(I)

산업 관행에서 반응은 농축 염수(염수)를 두 개의 타워에 통과시킴으로써 수행됩니다.우선, 암모니아는 염수를 통해 거품이 일어나 흡수된다.두 번째는 암모니아화된 염수를 통해 이산화탄소가 기포화되어 중탄산나트륨(베이킹소다)이 용액에서 침전된다.기본 용액에서3 NaHCO는 염화나트륨보다 수용성이 낮다.암모니아(NH3)는 용액을 기본(높은) pH로 완충합니다. 암모니아가 없으면 염산 부산물이 용액을 산성으로 만들고 침전을 방지합니다.여기서 NH는3 암모니아 브라인과 함께 "모주" 역할을 한다.

반응(I)에 필요한 암모니아 "촉매"는 이후 단계에서 재생되며 암모니아는 상대적으로 적게 소비된다.반응(I)에 필요한 이산화탄소는 950–1100°C에서 석회석을 가열("석회화")하고 중탄산나트륨(아래 참조)을 소성하여 생성된다.석회암의 탄산칼슘(CaCO3)은 부분적으로 생석회(산화칼슘(CaO))와 이산화탄소로 전환됩니다.

3 {>+ ---(II)

반응(I)으로 침전되는 중탄산나트륨(NaHCO3)을 뜨거운 염화암모늄(NHCl4) 용액에서 걸러낸 후 단계(II)에서 석회석을 가열하여 남은 산화칼슘(CaO)과 반응시킨다.

4 + 2 3 + 2 + ( \ { NH 4 + > 2+2 + } - ( III )

CaO는 강력한 기본 솔루션을 만듭니다.반응에서 나온 암모니아(II)는 반응의 초기 브라인 용액(I)으로 재활용됩니다.

반응(I)에서 침전된 중탄산나트륨(NaHCO3)은 소성(160–230°C)에 의해 최종 생성물인 탄산나트륨(세정 소다: NaCO23)으로 전환되어 부산물로 물과 이산화탄소를 생성한다.

NaHCO 3 + O + > CO3 + + } ---(IV)

스텝(IV)의 이산화탄소는 스텝(I)의 재사용을 위해 회수된다.Solvay 공장은 적절하게 설계되고 가동되면 거의 모든 암모니아를 회수할 수 있으며 손실을 만회하기 위해 소량의 암모니아만 추가로 소비합니다.Solvay 공정의 유일한 주요 투입물은 소금, 석회암 및 열 에너지이며, 주요 부산물은 염화칼슘으로 판매되기도 합니다.

1910년대-1920년대에 하버와 다른 새로운 암모니아 생산 공정의 발명 이후 가격이 떨어졌고, 그것을 되찾을 필요성이 줄어들었다.1930년대 중국의 화학자 Hou Debang이 개발한 변형 Solvay 공정에서 처음 몇 단계는 Solvay 공정과 동일하지만 CaCl은2 염화암모늄(NHCl4)으로 대체됩니다.남은 용액을 석회로 처리하는 대신 이산화탄소와 암모니아를 용액에 주입한 후 40°C에서 포화될 때까지 염화나트륨을 첨가한다.다음으로 용액을 10 °C까지 냉각한다.염화암모늄이 침전되어 여과로 제거되고 용액이 재활용되어 탄산나트륨이 많아진다.Hou's 공정은 염화칼슘 생산을 없앤다.부산물인 염화암모늄은 정제되어 비료로 사용될 수 있으며, CaCl보다2 상업적 가치가 더 클 수 있으므로 폐기층의 규모를 줄일 수 있습니다.

이 프로세스의 산업 구현에 대한 자세한 내용은 유럽 소다재 생산자 [11]협회를 위해 작성된 보고서에서 확인할 수 있습니다.

부산물 및 폐기물

Solvay 공정의 주요 부산물은 수용액의 염화칼슘(CaCl2)입니다.이 공정에는 다른 폐기물이나 부산물도 있습니다.[11]소성된 모든 석회석이 빠른 석회석과 이산화탄소로 변환되는 것은 아닙니다(반응 II). 석회석의 잔류 탄산칼슘과 다른 성분들은 폐기물이 됩니다.또한 공정에서 사용되는 염수는 일반적으로 마그네슘과 칼슘 이온을 제거하기 위해 정제되며, 일반적으로 탄산염(MgCO3, CaCO3)을 형성한다. 그렇지 않으면 이러한 불순물이 다양한 반응 용기와 타워에 스케일링으로 이어질 수 있다.이러한 탄산염은 추가적인 폐기물입니다.

뉴욕의 Solvay와 같은 내륙 공장에서는 부산물이 "폐층"에 퇴적되어 있으며, 이러한 폐층에 퇴적된 재료의 중량은 생산되는 소다재의 중량을 약 50% 초과합니다.이러한 쓰레기 바닥은 주로 칼슘과 염화물에 의한 수질 오염으로 이어졌다.미국 뉴욕 솔베이의 폐기물 침대는 미국에서 [13]가장 오염이 심한 호수 [14]중 하나였던 오논다가 호수의 염도를 크게 높였다.이러한 폐기층은 나이가 들면서 여러 과학적 [15][16]연구의 대상이 되어 온 식물 군집을 지원하기 시작합니다.

그 사우, 구자라트, India,[17]등 해변 위치에는 CaCl2 해결책 직접적으로 바다에 상당한 환경 피해(비록 중금속의 작은 양은 문제가 될 수 있)것 없이 퇴원할 수 있지만, 가장 큰 문제는 방전 위치는 국립 해양 공원 걸프 쿠치는 ser의에 속한다.ves산호초, 해초, 해초 군집의 서식지.South [18]Australia Osborne에서는 침전지를 사용하여 CaCl의2 99%를 제거하고 있습니다.이는 이전의 방류가 수송 채널을 침전시키고 있었기 때문입니다.이탈리아 투스카니의 로지냐노 솔베이에서는 솔베이 공장에서 생성된 석회암 폐기물이 풍경을 바꿔 "Spiagge Biancche"("하얀 해변")를 생산했습니다.1999년 유엔환경계획(UNEP)이 발표한 보고서에 따르면 스피아게 비앙체는 지중해 [19]연안의 오염 핫스팟으로 꼽혔다.

탄소 격리 및 솔베이 공정

탄소 격리를 위해 Solvay 공정의 변형이 제안되었다.한 가지 아이디어는 아마도 석탄의 연소에 의해 생성된 이산화탄소를 반응시켜 영구적으로 저장될 수 있는 고체 탄산염(예:[20][21] 중탄산나트륨)을 형성함으로써 대기 중의 이산화탄소 방출을 방지하는 것입니다.Solvay 프로세스는 전체적인 반응을 나타내도록 수정할 수 있습니다.

2 NaCl + CaCO3 + CO
2
2 + HO → 2NaHCO3 + CaCl2

이산화탄소 배출을 탄산나트륨으로 전환하기 위한 Solvay 공정의 변화가 제안되었지만, 칼슘이나 마그네슘 탄산나트륨에 의한 탄소 격리가 더 [dubious – discuss]유망해 보입니다.그러나 칼슘이나 마그네슘을 사용한 탄소 격리에 사용할 수 있는 이산화탄소 양에 비해 인류가 배출하는 이산화탄소의 양은 매우 [why?]적다.또한 Solvay 프로세스의 변동은 수력, 원자력, 풍력 또는 태양광과 같은 탄소 중립 에너지원을 사용하지 않는 한 이산화탄소 배출을 증가시키는 추가적인 에너지 소비 단계를 추가할 가능성이 높다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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  4. ^ 페레스, 호아킨 페르난데스(1998)."바리야에서 토렐라베가의 Solvay 공장까지: 스페인에서의 소금기름 제조" Antilia: 스페인 자연과학 기술사 저널 제1권IV, 제1조 ISSN 1136-2049호WebCite에 의해 2008-03-01년에 이 원래 URL에서 아카이브되었습니다.
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추가 정보

외부 링크