Descripción breve

El proceso Solvay (o proceso de amoníaco-soda) es el principal proceso químico industrial para producir carbonato de sodio (ceniza de sosa o sosa solvay, $Na_2CO_3$). Hace reaccionar cloruro de sodio (salmuera) y carbonato de calcio (caliza) utilizando amoníaco como reactivo cíclico, el cual se recicla continuamente en el sistema.

Uso / Función

• Producción de sosa: Produce carbonato de sodio, una materia prima clave para fabricar vidrio, jabón, papel y detergentes.
• Industria del vidrio: Reduce la temperatura de fusión de la arena de sílice, permitiendo la producción masiva y barata de recipientes de vidrio y cristales para ventanas.
• Tratamiento de aguas: Ablanda el agua y neutraliza ácidos.
• Precursor químico: Se utiliza para fabricar bicarbonato de sodio y otras sales industriales de sodio.

Principio de funcionamiento

La ecuación química global es:

$$2\text{NaCl} + \text{CaCO}_3 \rightarrow \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{CaCl}_2$$

Esta reacción no ocurre de forma directa. En su lugar, el proceso Solvay utiliza amoníaco ($NH_3$) en un bucle cerrado para facilitar la reacción:

1. Saturación de salmuera: Una solución concentrada de cloruro de sodio (salmuera) se satura con gas amoníaco disuelto.
2. Carbonatación: Se calienta la caliza (carbonato de calcio, $CaCO_3$) en un horno de calcinación para producir cal viva ($CaO$) y dióxido de carbono ($CO_2$). Este gas $CO_2$ se burbujea a través de la salmuera amoniacal.
3. Precipitación: El dióxido de carbono reacciona con el amoníaco disuelto y la sal para precipitar bicarbonato de sodio ($NaHCO_3$), dejando cloruro de amonio ($NH_4Cl$) en solución:

$$\text{NaCl} + \text{NH}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{NaHCO}_3 \downarrow + \text{NH}_4\text{Cl}$$

4. Calcinación: El bicarbonato de sodio precipitado se filtra y se calienta para producir carbonato de sodio puro, liberando vapor de agua y $CO_2$ (que se recicla volviendo al paso 2):

$$2\text{NaHCO}_3 \rightarrow \text{Na}_2\text{CO}_3 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \uparrow$$

5. Recuperación de amoníaco: La cal viva ($CaO$) del paso 2 se apaga con agua para formar hidróxido de calcio ($Ca(OH)_2$), que luego se hace reaccionar con la solución de cloruro de amonio del paso 3 para recuperar el gas amoníaco. El único residuo que sale del sistema es el cloruro de calcio ($CaCl_2$):

$$2\text{NH}_4\text{Cl} + \text{Ca(OH)}_2 \rightarrow \text{CaCl}_2 + 2\text{H}_2\text{O} + 2\text{NH}_3 \uparrow$$

Cómo implementarlo

1. Horno de cal

• Construir un horno de eje vertical para calentar Caliza a 900–1000°C para liberar dióxido de carbono gas y crear cal viva.

2. Torres de carbonatación

• Diseñar columnas de absorción altas donde el dióxido de carbono burbujee hacia arriba a través de la salmuera amoniacal que fluye hacia abajo. Deben estar refrigeradas ya que la reacción es exotérmica.

3. Filtración y recuperación

• Implementar filtros de vacío o centrifugadoras para separar los cristales precipitados de bicarbonato de sodio.
• Construir un destilador de recuperación de amoníaco donde se mezcle el hidróxido de calcio con la solución de cloruro de amonio restante y se caliente con vapor para destilar y recuperar el amoníaco.

Materiales necesarios

• Salmuera de sal: Solución concentrada de cloruro de sodio (derivada de depósitos de sal o agua de mar purificada con Sal).
• Caliza: Roca de carbonato de calcio, extraída de canteras.
• Amoníaco: Inicialmente requerido para cargar el sistema, pero casi todo se recicla.
• Ladrillos refractarios: Para revestir el horno de cal y los hornos de calcinación.

Variantes y mejoras

• Proceso Leblanc: El predecesor histórico, que utilizaba ácido sulfúrico, carbón y caliza. Era extremadamente contaminante e ineficiente en comparación con el proceso Solvay.
• Proceso de Hou: Una modificación desarrollada en China que recicla el cloruro de amonio para producir fertilizante de cloruro de amonio en lugar de desecharlo como cloruro de calcio.
• Minería de trona natural: Extracción directa de depósitos naturales de carbonato de sodio (trona), lo que resulta más económico en regiones con grandes yacimientos (como Wyoming).

Límites y riesgos

• Fuga de amoníaco: El amoníaco es tóxico y corrosivo; incluso fugas pequeñas en el ciclo presentan condiciones de trabajo de alto riesgo y daños ambientales.
• Eliminación de cloruro de calcio: El subproducto (cloruro de calcio) puede provocar la salinización del suelo y ríos si se vierte en grandes cantidades.
• Soluciones corrosivas: La salmuera caliente y el cloruro de amonio son altamente corrosivos, requiriendo tuberías y recipientes de materiales especiales.