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Proceso Leblanc

El proceso Leblanc fue uno de los primeros procesos industriales para la fabricación de carbonato de sodio , utilizado durante todo el siglo XIX y que recibió su nombre de su in...

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El proceso Leblanc fue uno de los primeros procesos industriales para la fabricación de carbonato de sodio , utilizado durante todo el siglo XIX y que recibió su nombre de su inventor, Nicolas Leblanc . Constaba de dos etapas: la obtención de sulfato de sodio a partir de cloruro de sodio y, posteriormente, la reacción del sulfato de sodio con carbón y carbonato de calcio para producir carbonato de sodio. Este proceso fue quedando obsoleto gradualmente tras el desarrollo del proceso Solvay .

Fondo

La ceniza de sosa ( carbonato de sodio ) y la potasa ( carbonato de potasio ), denominadas colectivamente álcali , son productos químicos vitales en las industrias del vidrio , textil , jabonero y papelero . La fuente tradicional de álcali en Europa occidental había sido la potasa obtenida de las cenizas de madera . Sin embargo, en el siglo XIII, la deforestación hizo que este método de producción resultara antieconómico, y fue necesario importar álcali. La potasa se importaba de América del Norte, Escandinavia y Rusia, donde aún existían grandes bosques. La ceniza de sosa se importaba de España y las Islas Canarias, donde se producía a partir de las cenizas de plantas de salicornia (llamadas cenizas de barilla en España), o se importaba de Siria. [ 1 ] La ceniza de sosa procedente de las cenizas de salicornia era principalmente una mezcla de carbonato de sodio y carbonato de potasio. Además, en Egipto, el carbonato de sodio natural, el mineral natrón , se extraía de los lechos secos de los lagos. En Gran Bretaña, la única fuente local de álcali era el alga kelp , que llegaba a las costas de Escocia e Irlanda. [ 2 ] [ 3 ]

En 1783, el rey Luis XVI y la Academia Francesa de Ciencias ofrecieron un premio de 2400 libras por un método para producir álcali a partir de sal marina ( cloruro de sodio ). En 1791, Nicolas Leblanc , médico de Luis Felipe II, duque de Orleans , patentó una solución. Ese mismo año construyó la primera planta Leblanc para el duque en Saint-Denis , que comenzó a producir 320 toneladas de sosa al año. [ 4 ] Se le negó el premio debido a la Revolución Francesa . [ 5 ]

Para obtener información histórica más reciente, consulte la sección de historia industrial a continuación.

Química

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

En la primera etapa, el cloruro de sodio se trata con ácido sulfúrico en el proceso de Mannheim . Esta reacción produce sulfato de sodio (llamado torta de sal ) y cloruro de hidrógeno :

2 NaCl + H 2 SO 4 → Na 2 SO 4 + 2 HCl

Esta reacción química fue descubierta en 1772 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele . La contribución de Leblanc fue el segundo paso, en el que una mezcla de torta de sal y piedra caliza triturada ( carbonato de calcio ) se redujo calentándola con carbón . [ 6 ] Esta conversión implica dos partes. La primera es la reacción carbotérmica mediante la cual el carbón, una fuente de carbono , reduce el sulfato a sulfuro :

Na 2 SO 4 + 2  C → Na 2 S + 2  CO 2

La segunda etapa es la reacción para producir carbonato de sodio y sulfuro de calcio . Esta mezcla se llama ceniza negra .

Na 2 S + CaCO 3 → Na 2 CO 3 + CaS

La ceniza de sosa se extrae de la ceniza negra con agua. La evaporación de este extracto produce carbonato de sodio sólido. Este proceso de extracción se denominó lixiviación.

En respuesta a la Ley de Álcalis , el sulfuro de calcio tóxico se convirtió en carbonato de calcio:

CaS(s) + CO 2 (g) + H 2 O(l) → CaCO 3 (s) + H 2 S(g)

El sulfuro de hidrógeno puede utilizarse como fuente de azufre para el proceso de la cámara de plomo, con el fin de producir el ácido sulfúrico que se utiliza en la primera etapa del proceso Leblanc.

Asimismo, en 1874 se inventó el proceso Deacon , que oxida el ácido clorhídrico sobre un catalizador de cobre:

4 HCl(g) + O 2 (g) → H 2 O(g) + Cl 2 (g)

El cloro se vendía como blanqueador en la industria papelera y textil. Con el tiempo, la venta de cloro se convirtió en el objetivo principal del proceso Leblanc. El cloro, al ser económico, contribuyó al desarrollo del proceso cloroalcalino .

Detalles del proceso

El cloruro de sodio se mezcla inicialmente con ácido sulfúrico concentrado y la mezcla se somete a calor suave. El gas cloruro de hidrógeno burbujea y se desecha a la atmósfera antes de la introducción de las torres de absorción de gas. Esto continúa hasta que solo queda una masa fundida. Esta masa aún contiene suficiente cloruro como para contaminar las etapas posteriores del proceso. Luego, la masa se expone a una llama directa, que evapora casi todo el cloruro restante. [ 7 ] [ 8 ]

El carbón utilizado en el siguiente paso debe tener bajo contenido de nitrógeno para evitar la formación de cianuro . El carbonato de calcio, en forma de piedra caliza o tiza, debe tener bajo contenido de magnesia y sílice. La proporción en peso de la carga es de 2:2:1 de torta de sal, carbonato de calcio y carbono, respectivamente. Se calienta en un horno de reverbero a unos 1000  °C. [ 9 ] A veces, el horno de reverbero giraba y por eso se le llamaba "revólver". [ 10 ]

El producto de ceniza negra resultante de la cocción debe lixiviarse inmediatamente para evitar la oxidación de los sulfuros a sulfato. [ 9 ] En el proceso de lixiviación, la ceniza negra se cubre completamente con agua, también para evitar la oxidación. Para optimizar la lixiviación del material soluble, la lixiviación se realiza en etapas sucesivas. Es decir, se utiliza agua pura sobre la ceniza negra que ya ha pasado por etapas previas. El licor de esa etapa se utiliza para lixiviar una etapa anterior de la ceniza negra, y así sucesivamente. [ 9 ]

El licor final se trata haciéndole pasar dióxido de carbono . Esto precipita el calcio disuelto y otras impurezas. También volatiliza el sulfuro, que se elimina como gas H₂S . Cualquier sulfuro residual puede precipitarse posteriormente añadiendo hidróxido de zinc . El licor se separa del precipitado y se evapora utilizando el calor residual del horno de reverbero. La ceniza resultante se redisuelve en una solución concentrada en agua caliente. Los sólidos que no se disuelven se separan. La solución se enfría para recristalizar carbonato de sodio decahidratado casi puro. [ 9 ]

Historia industrial

Leblanc estableció la primera planta del proceso Leblanc en 1791 en Saint-Denis . Sin embargo, los revolucionarios franceses se apoderaron de la planta, junto con el resto de las propiedades de Luis Felipe, en 1794, y divulgaron los secretos comerciales de Leblanc . Napoleón I le devolvió la planta a Leblanc en 1801, pero al carecer de fondos para repararla y competir con otras fábricas de sosa que se habían establecido entretanto, Leblanc se suicidó en 1806. [ 5 ]

A principios del siglo XIX, los productores franceses de carbonato de sodio producían entre 10.000 y 15.000 toneladas anuales. Sin embargo, fue en Gran Bretaña donde el proceso Leblanc se popularizó. [ 5 ] La primera fábrica británica de carbonato de sodio que utilizaba el proceso Leblanc fue construida por la familia Losh, fundidores de hierro, en la fábrica Losh, Wilson and Bell en Walker, a orillas del río Tyne, en 1816, pero los elevados aranceles británicos sobre la producción de sal dificultaron la rentabilidad del proceso Leblanc y mantuvieron dichas operaciones a pequeña escala hasta 1824. Tras la derogación del arancel sobre la sal, la industria británica del carbonato de sodio creció de forma espectacular. La fábrica química de Bonnington fue posiblemente la primera en producir, [ 11 ] y las fábricas químicas establecidas por James Muspratt en Liverpool y Flint , y por Charles Tennant cerca de Glasgow , se convirtieron en algunas de las más grandes del mundo. Las instalaciones de Muspratt en Liverpool gozaban de proximidad y buenas conexiones de transporte con las minas de sal de Cheshire, los yacimientos de carbón de St Helens y las canteras de piedra caliza del norte de Gales y Derbyshire. [ 12 ] En 1852, la producción anual de sosa había alcanzado las 140 000 toneladas en Gran Bretaña y las 45 000 toneladas en Francia. [ 5 ] En la década de 1870, la producción británica de sosa, de 200 000 toneladas anuales, superaba la de todas las demás naciones del mundo juntas.

Obsolescencia

En 1861, el químico belga Ernest Solvay desarrolló un proceso más directo para producir carbonato de sodio a partir de sal y piedra caliza mediante el uso de amoníaco . El único subproducto de este proceso Solvay era el cloruro de calcio , por lo que resultaba más económico y menos contaminante que el método Leblanc. Desde finales de la década de 1870, las fábricas de carbonato de sodio basadas en el método Solvay en el continente europeo supusieron una fuerte competencia en sus mercados nacionales para la industria británica del carbonato de sodio basada en el método Leblanc. Además, la planta Brunner Mond Solvay, inaugurada en 1874 en Winnington, cerca de Northwich, representó una feroz competencia a nivel nacional. Los productores de Leblanc no pudieron competir con el carbonato de sodio Solvay, y su producción de carbonato de sodio se convirtió, en la práctica, en un complemento a su aún rentable producción de cloro, polvo blanqueador, etc. (Los subproductos no deseados se habían convertido en productos rentables). El desarrollo de métodos electrolíticos para la producción de cloro eliminó también esa fuente de beneficios, y a continuación se produjo un declive que solo se vio mitigado por acuerdos informales con los productores de Solvay. [ 13 ] Para 1900, el 90% de la producción mundial de soda se realizaba mediante el método Solvay, o en el continente norteamericano, mediante la extracción de trona , descubierta en 1938, lo que provocó el cierre de la última planta Solvay de Norteamérica en 1986.

La última planta de carbonato de sodio basada en el proceso Leblanc en Occidente cerró a principios de la década de 1920, [ 3 ] pero cuando durante la Segunda Guerra Mundial la China nacionalista tuvo que evacuar su industria a las zonas rurales del interior, las dificultades para importar y mantener equipos complejos los obligaron a restablecer temporalmente el proceso Leblanc. [ 14 ]

Sin embargo, el proceso Solvay no funciona para la fabricación de carbonato de potasio , porque se basa en la baja solubilidad del bicarbonato correspondiente .

Problemas de contaminación

Las plantas del proceso Leblanc causaban un gran daño al medio ambiente local. El proceso de generación de torta de sal a partir de sal y ácido sulfúrico liberaba gas clorhídrico , y dado que este ácido era inútil industrialmente a principios del siglo XIX, simplemente se liberaba a la atmósfera. Además, se producía un residuo sólido insoluble y maloliente. Por cada 8 toneladas de carbonato de sodio, el proceso generaba 5,5 toneladas de cloruro de hidrógeno y 7 toneladas de sulfuro de calcio. Este residuo sólido (conocido como galligu) carecía de valor económico y se apilaba en montones y se esparcía en campos cercanos a la fábrica de sosa, donde se erosionaba liberando sulfuro de hidrógeno , el gas tóxico responsable del olor a huevos podridos.

Debido a sus emisiones nocivas, la fábrica de sosa de Leblanc se convirtió en blanco de demandas y legislación. En una demanda de 1839 contra la fábrica de sosa se alegaba: «El gas de estas fábricas es de naturaleza tan perjudicial que daña todo a su paso, y es igualmente dañino para la salud y la propiedad. La vegetación de los campos cercanos está quemada, los huertos no dan ni fruta ni verdura; muchos árboles frondosos se han convertido últimamente en ramas podridas y desnudas. El ganado y las aves de corral se debilitan y languidecen. Mancha los muebles de nuestras casas, y cuando nos exponemos a él, lo cual ocurre con frecuencia, sufrimos tos y dolores de cabeza... todo lo cual atribuimos a la fábrica de álcalis». [ 15 ]

En 1863, el Parlamento británico aprobó la Ley de Álcalis de 1863 , la primera de varias leyes similares , y la primera legislación moderna sobre contaminación atmosférica . Esta ley permitía que no se liberara a la atmósfera más del 5 % del ácido clorhídrico producido por las plantas de álcalis. Para cumplir con la legislación, las fábricas de sosa hacían pasar el cloruro de hidrógeno gaseoso que escapaba a través de una torre rellena de carbón vegetal , donde era absorbido por el agua que fluía en sentido contrario. Las plantas químicas solían verter la solución de ácido clorhídrico resultante en cuerpos de agua cercanos, lo que provocaba la muerte de peces y otros organismos acuáticos.

El proceso Leblanc también implicaba condiciones de trabajo muy desagradables para los operarios. Originalmente requería una operación cuidadosa y frecuentes intervenciones (algunas con mucho esfuerzo físico) en procesos que desprendían sustancias químicas calientes y tóxicas. [ 16 ] En ocasiones, los operarios que limpiaban los productos de reacción del horno de reverbero usaban mascarillas de tela para evitar que el polvo y los aerosoles entraran en los pulmones. [ 17 ] [ 18 ]

Esta situación mejoró algo más tarde, a medida que los procesos se mecanizaron en mayor medida para mejorar la rentabilidad y la uniformidad del producto.

En la década de 1880, se habían descubierto métodos para convertir el ácido clorhídrico en cloro gaseoso para la fabricación de polvo blanqueador y para recuperar el azufre de los residuos de sulfuro de calcio, pero el proceso Leblanc seguía siendo más derrochador y contaminante que el proceso Solvay . Lo mismo ocurre al compararlo con los procesos electrolíticos posteriores que finalmente lo sustituyeron en la producción de cloro.

Biodiversidad

Hay argumentos sólidos para afirmar que los residuos del proceso Leblanc constituyen el hábitat más amenazado del Reino Unido, ya que estos residuos se descomponen en carbonato de calcio y crean un refugio para plantas que prosperan en suelos ricos en cal, conocidos como calcoales . Solo cuatro de estos sitios han sobrevivido al nuevo milenio; tres están protegidos como reservas naturales locales, de las cuales la mayor, en Nob End , cerca de Bolton , es un SSSI y una reserva natural local , principalmente por su escasa flora de orquídeas y calcoales, muy inusual en una zona con suelos ácidos. Esta isla alcalina contiene en su interior una isla ácida, donde se depositaron escorias de calderas ácidas, que ahora se presenta como una zona dominada por el brezo, Calluna vulgaris . [ 19 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Ashtor, Eliyahu; Cevidalli, Guidobaldo (1983). "Cenizas alcalinas levantinas e industrias europeas". Journal of European Economic History . 12 : 475–522 .
  2. ↑ Clow, Archibald y Clow, Nan L. (1952). Revolución química, (Ayer Co Pub, junio de 1952), págs. 65–90. ISBN 0-8369-1909-2.
  3. 1 2 Kiefer, David M. (2002). "Todo giraba en torno a los álcalis" . El químico actual en acción . 11 (1). Sociedad Química Estadounidense: 45– 6. Recuperado el 22 de abril de 2007 .
  4. ↑ Aftalion, Fred (1991). Historia de la industria química internacional . Filadelfia: University of Pennsylvania Press. págs. 11–13 . ISBN  978-0-8122-1297-6.
  5. 1 2 3 4 Aftalion, Fred (1991). Historia de la industria química internacional . Filadelfia: University of Pennsylvania Press. págs. 14–16 . ISBN  978-0-8122-1297-6.
  6. ↑ Christian Thieme (2000). «Carbonatos de sodio». Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Weinheim: Wiley-VCH. doi : 10.1002/14356007.a24_299 . ISBN 978-3527306732.
  7. ↑ "Ácido clorhídrico y sulfato de sodio" . Lenntech . Consultado el 22 de abril de 2007 .
  8. ↑ Chisholm, Hugh , ed. (1911). "Fabricación de álcalis" . Encyclopædia Britannica . Vol. 1 (11.ª ed.). Cambridge University Press. pp. 674–685 .    
  9. 1 2 3 4 "Las industrias de los refrescos" . Lenntech . Consultado el 22 de abril de 2007 .
  10. ↑ Museo Victoria y Alberto (1908). Catálogo de la colección de ingeniería mecánica en la División de Ciencias del Museo Victoria y Alberto, South Kensington, con notas descriptivas e históricas . Vol. 2. HMSO pág. 107. OCLC 608086021 .   
  11. ↑ Ronalds, BF (2019). "Bonnington Chemical Works (1822-1878): Compañía pionera en alquitrán de hulla". International Journal for the History of Engineering & Technology . 89 ( 1– 2): 73– 91. doi : 10.1080/17581206.2020.1787807 . S2CID 221115202 . 
  12. ↑ Peter Reed, Lluvia ácida y el auge del químico ambiental en la Gran Bretaña del siglo XIX, (2014), pág. 94
  13. ↑ Lector WJ Imperial Chemical Industries; Una historia Volumen 1 Los precursores 1870-1926 Oxford University Press 1970 SBN 19 215937 2
  14. ↑ Reardon-Anderson, James (1991). El estudio del cambio: la química en China, 1840-1949 . Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-53325-6.
  15. ↑ Newcastle upon Tyne (Inglaterra). Ayuntamiento (1840). Informes del Ayuntamiento de Newcastle . págs. 2–. 
  16. ↑ Russell. Colin Archibald, Química, sociedad y medio ambiente: una nueva historia de la industria química británica, Royal Society of Chemistry, 2000. ISBN 0-85404-599-6
  17. ↑ Descrito y denominado "mordaza" en un comentario grabado en el museo de la industria química Catalyst en Runcorn (Cheshire, Inglaterra), para evitar que el polvo alcalino entrara en los pulmones de los trabajadores en los primeros años de la industria química en Gran Bretaña.
  18. ↑ Beeby, Ann (septiembre de 2017). "¿Qué hicieron nuestros antepasados?" (PDF) . Dig This! The Newsletter of 3D Archaeological Society . pág. 7. Archivado del original (PDF) el 17 de abril de 2019. Consultado el 11 de agosto de 2022 . 
  19. ↑ Shaw, PJA y Halton W. (1998). Lugares clásicos: Nob End, Bolton. British Wildlife 10, 13-17.
  • T. Howard Deighton. La lucha por la supremacía  : una serie de capítulos en la historia de la industria alcalina Leblanc en Gran Bretaña : 32: Riqueza a partir de los desechos. Archivado el 11 de junio de 2019 en Wayback Machine . "...estos abominables desechos arrojados por millones de toneladas a las orillas del Tyne".
  • Newcastle upon Tyne (Inglaterra). Ayuntamiento (1840). Informes del Ayuntamiento de Newcastle . pág.  2.
  • Cloro-álcali ; Química del hombre de las cavernas