Solvay-Verfahren

Das Solvay-Verfahren oder auch Ammoniak-Soda-Verfahren ist ein chemischer Prozess zur Herstellung von Natriumcarbonat (Na₂CO₃). Es wurde 1865 von Ernest Solvay entwickelt und löste das bis dahin verwendete Leblanc-Verfahren ab.

Weltweit bedeutendster Produzent ist der Chemiekonzern Solvay mit sieben Mio jato Natriumcarbonat (2010)^[1], die überwiegend zum wichtigsten Waschmittelbestandteil Natriumpercarbonat umgesetzt werden.^[2]

Stoffbilanz

Sodaherstellung nach Solvay als chemischer Kreisprozess (grün = Edukte, schwarz = Zwischenprodukte, rot = Produkte)

Der Prozess geht von den billigen und in großen Mengen vorhandenen Rohstoffen Kalk ("Calciumcarbonat") und Kochsalz ("Natriumchlorid") aus, deren Reaktion zu Soda und Calciumchlorid

$ \mathrm {\ CaCO_{3}+2\ NaCl\rightarrow Na_{2}CO_{3}+CaCl_{2}} $

jedoch nicht freiwillig abläuft, da die Rückreaktion zu den Ausgangsstoffen Calciumcarbonat und Natriumchlorid

$ \mathrm {\ CaCl_{2}+Na_{2}CO_{3}\rightarrow CaCO_{3}+2\ NaCl} $

die thermodynamisch bevorzugte ist. Zur Realisierung der Hinreaktion wird daher beim Solvay-Verfahren ein weiterer Stoff, Ammoniak, mit ins Spiel gebracht, der in der letztendlichen Stoffbilanz dann aber wieder fehlt: Denn das Solvay-Verfahren arbeitet als chemischer Kreisprozess, bei dem der zugesetzte Ammoniak in einem geschlossenen Kreislauf verbleibt und Umweltbelastungen der Größenordnung des Leblanc-Verfahrens vermieden werden können.

Ein Nachteil allerdings auch des Solvay-Verfahrens bleibt, nämlich, dass es große Mengen an Wasser verbraucht und pro Kilo Soda immer noch ca. 1 Kilo unverwendbares Calciumchlorid ins Abwasser abgibt, und damit in Flüsse und Meere. Bei 1 Million Tonnen Soda jährlich also auch etwa 1 Million Tonnen Calciumchlorid, bildlich drei komplette Güterzüge zu je 1000 Tonnen täglich.

Das Verfahren im Detail

Die einzelnen Schritte des Verfahrens sind:

1.) Der Kalk wird gebrannt:

$ \mathrm {\ CaCO_{3}\rightarrow CaO+CO_{2}\uparrow } $

Calciumcarbonat zersetzt sich in der Hitze zu Calciumoxid ("Gebrannter Kalk") und Kohlenstoffdioxid.

2.) Kohlenstoffdioxid wird zusammen mit Ammoniak in eine konzentrierte Kochsalzlösung eingeleitet. Hierbei fällt Natriumhydrogencarbonat aus, das von der entstehenden Ammoniumchloridlösung getrennt wird.

$ \mathrm {\ 2\ NaCl+2\ CO_{2}+2\ NH_{3}+2\ H_{2}O\rightarrow 2\ NaHCO_{3}\downarrow +2\ NH_{4}Cl} $

Kochsalz reagiert mit Kohlenstoffdioxid, Ammoniak und Wasser zu Ammoniumchlorid ("Salmiak") und Natriumhydrogencarbonat ("Natron").

Die einzelnen Teilschritte:

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

Kohlenstoffdioxid und Wasser reagieren zu Kohlensäure...

$ \mathrm {\ H_{2}CO_{3}+NH_{3}\rightarrow NH_{4}HCO_{3}} $

...die wiederum mit Ammoniak zu Ammoniumhydrogencarbonat...

$ \mathrm {\ NH_{4}HCO_{3}+NaCl\rightarrow NaHCO_{3}\downarrow +NH_{4}Cl} $

...das wiederum reagiert dann mit Kochsalz zu Natriumhydrogencarbonat ("Natron") und Ammoniumchlorid ("Salmiak").

3.) Das Natriumhydrogencarbonat wird auf ca. 200 °C erhitzt, wobei Wasser und Kohlenstoffdioxid entweichen. Übrig bleibt dann das Produkt Soda. Dieser Vorgang wird als Kalzinierung (kalzinieren) bezeichnet.

$ \mathrm {\ 2\ NaHCO_{3}\rightarrow Na_{2}CO_{3}+H_{2}O+CO_{2}} $

Natriumhydrogencarbonat spaltet in der Hitze Wasser und Kohlenstoffdioxid ab, wodurch Soda entsteht.

4.) Im vierten Schritt wird das Ammoniak wiedergewonnen und Schritt 2 zugeführt:

$ \mathrm {\ 2\ NH_{4}Cl+CaO\rightarrow 2\ NH_{3}+CaCl_{2}+H_{2}O} $

Das Ammoniumchlorid aus Reaktion 2 wird mit dem gebrannten Kalk aus Reaktion 1 zu Ammoniak, Calciumchlorid und Wasser umgesetzt.

Einzelnachweise

Siehe auch

• Soda (Mineral)
• Natron
• Calciumchlorid
• Leblanc-Verfahren

Weblinks

• Prozessschema (PDF-Datei; 966 kB)