Proceso Leblanc

El proceso Leblanc fue uno de los primeros procesos industriales para la producción de ceniza de sosa (carbonato sódico) utilizado durante todo el siglo XIX, llamado así por su inventor, Nicolas Leblanc. Consta de dos etapas: producción de sulfato de sodio a partir de cloruro de sodio, seguido de reacción del sulfato de sodio con carbón y carbonato de calcio para producir carbonato de sodio. El proceso se cayó gradualmente en desuso sustituido por el proceso Solvay.

Introducción

La ceniza de sosa (carbonato sódico) y potasa (carbonato de potasio), denominados genéricamente álcali, son sustancias químicas vitales en las industrias del vidrio, textiles, jabón y papel. La fuente tradicional de álcali en el oeste de Europa había sido obtenido potasa a partir de la cenizas de madera. Sin embargo, en el siglo XVIII, la deforestación había vuelto este medio de producción poco rentable, y el álcali tuvieron que ser importados. La potasa se importaba de América del Norte, Escandinavia y Rusia, donde los grandes bosques seguía en pie. La ceniza de sosa fue importado de la España mediterránea y las Islas Canarias, en el que se produce a partir de forma similar al carbón de leña de plantas costeras llamados Barilla, o de Egipto, donde el mineral natrón se extrae de lechos de lagos secos. Sobre todo en Gran Bretaña , la única fuente local de álcalis era de algas marinas, que llegaban a las costas de Escocia e Irlanda.​​

En 1783, el rey Luis XVI de Francia y la Academia de Ciencias Francesa ofreció un premio de 2400 libras por un método para producir alcalino de la sal marina (cloruro de sodio). En 1791, Nicolas Leblanc, médico de Luis Felipe II, duque de Orleans, patentó una solución. Ese mismo año se construyó la primera planta de Leblanc para el duque de Saint-Denis , y esto comenzó a producir 320 toneladas de soda por año.​ Se le negó el dinero del premio a causa de la Revolución Francesa.​

Fundamento químico

Esquema de reacción del proceso de Leblanc (verde = reactivos, negro = productos intermedios, rojo = productos finales)

El proceso Leblanc es un proceso discontinuo en el cual se somete el cloruro de sodio a una serie de tratamientos, eventualmente producir carbonato de sodio. En la primera etapa, el cloruro de sodio se calienta con ácido sulfúrico para producir sulfato de sodio (llamada torta de sal ) y gas cloruro de hidrógeno de acuerdo con la ecuación química

$\mathrm {2~NaCl+H_{2}SO_{4}\rightarrow Na_{2}SO_{4}+2~HCl}$

Esta reacción química se había descubierto en 1772 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele. La contribución de Leblanc fue el segundo paso, en el que se mezcla la torta de sal con piedra caliza (carbonato cálcico) triturada y carbón y se calienta. En la reacción química subsiguiente, el carbón (carbono) se oxida a dióxido de carbono , reduciendo el sulfato a sulfuro y dejando tras de sí una mezcla sólida de carbonato de sodio y sulfuro de calcio , llamada ceniza negra .

$\mathrm {Na_{2}SO_{4}+CaCO_{3}+2~C\rightarrow Na_{2}CO_{3}+CaS+2~CO_{2}}$

Debido a que el carbonato de sodio es soluble en agua, pero no lo son ni el carbonato de calcio ni sulfuro de calcio, el carbonato de sodio se separó entonces de la ceniza negro mediante el lavado con agua. El agua de lavado se evaporó luego para dar carbonato de sodio sólido. Este proceso de extracción se denomina lixiviación.

El proceso en detalle

Horno cilíndrico en la implementación a gran escala del proceso de Leblanc en la segunda mitad del siglo XIX.​

El cloruro sódico se mezcla inicialmente con solución de ácido sulfúrico y la mezcla se somete a un ligero calentamiento. Gran parte del gas cloruro de hidrógeno (y virtualmente todo el gas HCl económicamente recuperable) se escapa en este punto. Esto continúa hasta que todo lo que queda es una masa fundida. Esta masa todavía contiene cloruro suficiente para contaminar las etapas posteriores del proceso. La masa se ​​expone entonces a la llama directa, que se evapora casi todo el cloruro de restante.​

El carbón utilizado en la siguiente etapa debe ser bajo en nitrógeno para evitar la formación de cianuro. El carbonato de calcio, en forma de piedra caliza o tiza, debe ser baja en magnesia y sílice. La relación en peso de la carga es 02:02:01 de torta de sal, carbonato de calcio, y carbono respectivamente. Se cuece en un horno de reverbero a unos 1000 ° C.​

El producto negro de ceniza de la leña debe ser lixiviado de inmediato para evitar la oxidación de los sulfuros de nuevo a sulfato.​ En el proceso de lixiviación, el negro de ceniza está completamente cubierta de agua, una vez más para evitar la oxidación. Para optimizar la lixiviación de material soluble, la lixiviación se realiza en etapas en cascada. Es decir, el agua pura se utiliza en la ceniza negro-que ya ha pasado por etapas previas. El licor de esa etapa se utiliza para lixiviar una fase anterior del negro de la ceniza, y así sucesivamente.​

El licor final se trató por soplado de dióxido de carbono a través de ella. Este precipitados de calcio disuelto y otras impurezas. También se volatiliza el sulfuro, que se llevó como H₂ S del gas. Cualquier sulfuro residual puede ser posteriormente precipita por adición de hidróxido de zinc. El licor se separa del precipitado y se evaporó utilizando el calor residual del horno de reverbero. La ceniza resultante se redisolvió en solución concentrada en agua caliente. Los sólidos que no se disuelva se separan. La solución se enfría entonces recristalizar a decahidrato de carbonato de sodio casi puro.

Historia de la industria

Leblanc construyó la primera planta de proceso de Leblanc en 1791 en Saint-Denis. Sin embargo, los revolucionarios franceses se apoderó de la planta, junto con el resto de bienes Luis Felipe, en 1794, e hicieron públicos los secretos comerciales de Leblanc. Napoleón I devolvió la planta a Leblanc en 1801, pero carecía de los fondos para reparar y competir contra las fábricas de soda que otros había montado en el ínterin. Leblanc se suicidó en 1806.​

A principios del siglo XIX, los industriales franceses de carbonato de sodio producían 10.000 - 15.000 toneladas al año. Sin embargo, fue en Gran Bretaña donde se utilizó el proceso Leblanc más ampliamente.​ La primera planta de soda británica que empleaba el proceso Leblanc la construyo la familia Losh de los fundadores de de hierro en la factoría Losh, Wilson y Bell en Walker al lado del río Tyne en 1816. Pero los altos aranceles británicos sobre la producción de sal obstaculizado la economía del proceso de Leblanc y este tipo de operaciones se mantiene a pequeña escala hasta 1824. Tras la derogación de la tarifa de la sal, la industria de soda británica creció de manera espectacular, y las factorías químicas construidas por James Muspratt en Liverpool, y Charles Tennant cerca de Glasgow se convirtieron en algunas de las más grandes del mundo. Antes de 1852, la producción de soda anual había alcanzado 140.000 toneladas en el Reino Unido y 45.000 toneladas en Francia.​ En la década de 1870, la producción de alcalí británica de 200.000 toneladas anuales era superior a la de todas las demás naciones del mundo juntas.

Problemas de contaminación

Las plantas de proceso Leblanc son muy dañinas para el medio ambiente local. El proceso de generación de torta de sal de sal y ácido sulfúrico liberado ácido clorhídrico gaseoso, y como este ácido era industrialmente inútil en el siglo XIX, era simplemente liberado a la atmósfera. Además, se producía un residuo sólido insoluble y maloliente. Por cada 8 toneladas de carbonato de sodio, el proceso de producción de 5,5 toneladas de cloruro de hidrógeno y 7 toneladas de residuos de sulfuro de calcio. Estos residuos sólidos (conocido como galligu) no tenían ningún valor económico. Se apilaba en montones y se esparcía en los campos cercanos a las fábricas de alcalí, donde liberaban sulfuro de hidrógeno, un gas tóxico responsable del olor a huevos podrido.

$\mathrm {\ CaS+CO_{2}+H_{2}O\rightarrow CaCO_{3}+H_{2}S}$

A causa de sus emisiones nocivas, las factorías de soda Leblanc se convirtieron en blancos de acciones legales y legislación. En 1839 una demanda en contra decía, "el gas de estas fábricas es de tal naturaleza nociva, como a todo deterioro dentro de su influencia, y es por igual funesta para la salud y la propiedad. La hierba de los campos en sus alrededores se quemaron, los jardines no producen frutos, ni legumbres;.. muchos árboles florecientes se han convertido últimamente en palos podridos desnudos de ganado y aves de corral y de caída del pino de distancia que empaña los muebles en nuestras casas, y cuando estamos expuestos a ella, que es de frecuente ocurrencia, que se ven afectados por tos y dolores en la cabeza ... todo lo cual atribuimos a las factorías de soda ".

En 1863, el Parlamento británico aprobó la primera de varias leyes referentes a la industria de alcalí Alkali Act , la primera legislación moderna sobre la contaminación del aire. Esta ley imponía que no más del 5% del ácido clorhídrico producido por las plantas alcalinos podría ser vertido a la atmósfera. Para cumplir con la legislación, la factorias de soda hacían pasar el cloruro de hidrógeno gaseoso a través de una torre de rellena con carbón vegetal , en donde era absorbido por el agua que fluye en contracorriente. Los productos químicos así generados como resultado del ácido clorhídrico en la solución de los cuerpos generalmente se arrojan de agua cercanos, matando a los peces y demás vida acuática.

Sobre la década de 1880, se descubrieron métodos para convertir el ácido clorhídrico a cloro gas para la fabricación de blanqueo en polvo y para la recuperación del azufre en los residuos de sulfuro de calcio, pero el proceso Leblanc se mantuvo más derrochador y contaminante que el proceso Solvay.

Decadencia

En 1861, el químico belga Ernest Solvay desarrollado un proceso más directo para la producción de carbonato de sodio de la sal y piedra caliza mediante el uso de amoniaco. El único producto residual de este proceso Solvay es cloruro de calcio, y así es por tanto más económico y menos contaminante que el método Leblanc. Desde finales de 1870, la industria de álcali del proceso Solvay con sede en la Europa continental entabló una dura competencia en los mercados nacionales a la industria de álcali Leblanc con sede en Gran Bretaña. Además, planta Solvay de Brunner Mond que se abrió en 1874 en Winnington cerca de Northwich siempre una fuerte competencia a nivel nacional. los productores Leblanc no pudieron competir con ceniza de soda Solvay, y su producción de carbonato de sodio era efectivamente un complemento a su producción sigue siendo rentable gracías al cloro, blanqueador en polvo, etc. ( Los subproductos no deseados se habían convertido en los productos más rentables). El desarrollo de métodos electrolíticos para el cloro, eliminó esa fuente de beneficios, así, y hubo un descenso sólo moderado por acuerdos entre "gentlemens" con los productores de Solvay.​ En 1900, el 90% de la producción de soda del mundo era a través del método Solvay, o en América del Norte, a través de la explotación minera de la trona, descubierta en 1938. La última planta de ceniza de sosa basado en el proceso Leblanc cerraba en la década de 1920.​ Sin embargo, debido a la solubilidad del bicarbonato, el proceso Solvay no funciona para la fabricación de carbonato de potasio , y el proceso Leblanc siguió en uso limitado para su fabricación hasta mucho más tarde.