4 phương pháp sản xuất soda công nghiệp Na2CO3

Hiện nay trên thế giới, tùy thuộc vào tài nguyên và điều kiện kinh tế mỗi nước, quá trình sản xuất sô đa có thể thực hiện theo một trong các phương pháp sau:

Khai thác sô đa thiên nhiên.

Sô đa thiên nhiên nằm dưới dạng các dung dịch nước có chứa các muối khoáng. Trong đó có khoáng Na2CO3 hòa tan. Trong các nguồn nước khoáng chứa sô đa thì hồ Sirlis thuộc bang California, Mỹ có chứa 4 – 6% Na2CO3 là nguồn khai thác sô đa thiên nhiên lớn nhất thế giới do Công ty American Postash and – Chemical Corp khai thác. Với công suất 160.000 tấn sô đa/ năm thì phải xử lý trên 4 triệu m3 nước khoáng. Tiêu tốn nhiều nhiệt để bay hơi nước. Do đó giá thành sản phẩm khá cao và khó cạnh tranh trên thị trường hiện nay. Vì vậy, sản xuất sô đa từ nguồn muối tự nhiên chỉ chiếm dưới 3% tổng lượng sản xuất hàng năm.

Phương pháp Leslanc

Nguyên lý :Ðiều chế Na2SO4 từ muối ăn và axít H2SO4 :

2NaCl + H2SO4 = Na2SO4 + 2HCl

Sau đó nung trong lò quay cùng với than và Canxi cacbonat ở1000oC

Na2SO4 + 2C +CaCO3 = Na2SO4 + CaS + +2CO2

Phương pháp Solvay hay phương pháp ammoniac :

Nguyên liệu đầu là dung dịch NaCl, chuyển hóa bằng amôniac và khí CO2 để tạo thành sản phẩm trung gian NaHCO3

Quá trình điều chế Na2CO3 thực hiện qua 2 giai đoạn :

*Giai đoạn 1: Ðiều chế NaHCO3 :

NaCl +NH3 + CO2 + H2O => NaHCO3 + NH4Cl

Phản ứng tạo thành NaHCO3 có hiệu suất cao nhất 30-32% và dưới 84%. CO2 được điều chế từ phản ứng nung vôi :

CaCO3 = CaO + CO2

Cao dùng dể điều chế Ca(OH)2 :CaO + H2O = Ca(OH)2

Ca(OH)2 dùng để tái sinh NH3 từ NH4Cl tạo thành trong phản ứng

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

Điều chế NaHCO3 bao gồm ba công đoạn:

+Ðiều chế nước muối amôn .
+Ðiều chế NaHCO3 .
+Lọc NaHCO3 .

a. Ðiều chế muối amôn hóa:

Công đoạn này là cho nước hấp thụ NH3 để tạo thành nước muối amôn hóa . Khí NH3 và CO2 tan trong nước sẽ xảy ra các phản ứng :

2NH3 + CO2 + H2O = (NH4)2CO3
(NH4)2CO3 + CO2 + H2O = 2NH4HCO3

và cả phản ứng tạo thành cacbonat :

2NH3 + CO2 = NH2COONH4

Khí chưng có nhiệt độ 67 – 69oC được đưa vào thiết bị làm lạnh bằng nước.Sau đó đưa vào thiết bị hấp thụ  phần lớn NH3 và 1 phần CO2 trong khí chưng được hấp thụ trong thiết bị nay .Khí lên tháp chưng để tiếp tục hấp thụ khí NH3 và CO2 , sau đó vào tháp rửa sau khi ra khỏi tháp đã hấp thụ được khoảng 21,5g/l NH3 & 8,2 g/l CO2 được đưa vào tháp  Dung dịch nước muối amôn hóa ra qua hệ thống làm lạnh  để hạ nhiệt độ xuống 30oC rồi sang công đoạn cacbon hóa .

b.Cacbon hóa nước muối amôn hóa :

Trong công đoạn này, nước muối amôn có tác dụng với CO2 tạo thành huyền phù Natri cacbonat – Quá trình này được gọi là cacbon hóa

2NH3 + CO2 + H2O = (NH4)2CO3
(NH4)2CO3 + CO2 + H2O = 2NH4HCO3

Khi lượng HCO3 đủ lớn ,bắt đầu xảy ra phản ứng trao đổi ion tạo thànhNaHCO3 kết tủa.

NH4HCO3+ NaCl <=> NaHCO3 + NH4Cl

Hiệu suất tạo thành NaHCO3 phụ thuộc vào nồng độ trong khí và vào nhiệt độ

*Giai đoạn 2: Từ NaHCO3 diều chế NaCO3 :

2NaHCO3 <=> Na2CO3 + CO2 + H2O

Giai đoạn này gồm 2 công đoạn:

-Công đoạn nung .
-Công đoạn tái sinh amôniac .

a.Nung

.NaHCO3 được băng chuyền đưa vào phiễu rồi vào lò nung Xô Ða dài khoảng 25m. Thời gian nung khoảng 3 giờ ,lò đốt bằng mazut hoặc than .Không khí dùng để đốt nhiên liệu được thổi qua thiết bị trao đổi nhiệt  tới 300oC ,rồi vào buồng đốt (4). NaHCO3 bị phân hủy thành Na2CO3 có hàm lượng khoảng 96 -> 98% ,sản phẩm ra lò được  đưa vào kho ,sau khi đã làm sạch.
Sau khi phân hủy cacbonat chủ yếu có CO2 ,hơi nước và một ít NH3 và bụi Xô Ða được đưa qua xyclon (6),khí có nhiệt độ 125oC tập trung vào ống thu khí (7)được làm sạch bằng khí lò Xô Ða ra .
Sau đó khí vào phía dưới tháp rửa (9) có hàm lượng CO2 khoảng 90% và nhiệt độ là 30oC được đưa vào công đoạn cacbon hóa.

b.Tái sinh amôniac :

Thu hồi NH3 từ dung dịch lọc chứa NH3 dưới dạng NH4Cl , (NH4)2CO3 , NH4HCO3

(NH4)2CO3 -> NH3 + CO2 + H2O
2NH4Cl + Ca(OH)2 = 2NH3 + CaCl2 + 2H2O

NH3 tạo thành được tách khỏi dung dịch bằng cách chưng cất

Theo lý thuyết thì NH3 không bị tiêu hao. Do vậy trong thực tế nguyên liệu chủ yếu để điều chế Na2CO3 là NaCl và đá vôi .
-Dung dịch NaCl khoảng 350-.310g/l cần phải loại bỏ các ion Ca2+ và Mg2+.
-khí CO2 được sử dụng trong công nghiệp Sô Ða có hàm lượng khoảng 39 ->40% và nhiệt độ khoảng 30oC.

Phương pháp cacbonat hóa xút.

Phương pháp cacbonat hóa xút là phương pháp đơn giản nhất. Chỉ cần dùng CO2 xúc qua dung dịch xút sẽ thu được sô đa theo phản ứng:

 CO2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O

Sau đó làm nguội và kết tinh Na2CO3.10 H2O. Tiếp theo lọc tách và làm mất nước sẽ thu được sô đa (Na2CO3). Tuy nhiên nguyên liệu xút lại đắt hơn sô đa do phải qua giai đoạn điện phân, cô đặc dẫn đến tiêu hao nhiều năng lượng. Chỉ những nước có giá điện năng rẻ mới có thể sử dụng phương pháp này. Tỷ lệ sô đa đi từ xút hiện nay trên thế giới chiếm dưới 10% tổng lượng sô đa sản xuất và sức cạnh tranh kém.