El proceso Leblanc fue uno de los primeros procesos industriales para la fabricación de carbonato de sodio ( carbonato de sodio ) que se utilizó durante todo el siglo XIX y que recibió el nombre de su inventor, Nicolas Leblanc . Consistía en dos etapas: la fabricación de sulfato de sodio a partir de cloruro de sodio y la reacción del sulfato de sodio con carbón y carbonato de calcio para fabricar carbonato de sodio. El proceso se fue volviendo obsoleto gradualmente después del desarrollo del proceso Solvay .
El carbonato de sodio ( carbonato de sodio ) y la potasa ( carbonato de potasio ), denominados colectivamente álcali , son sustancias químicas vitales en las industrias del vidrio , los textiles , el jabón y el papel . La fuente tradicional de álcali en Europa occidental había sido la potasa obtenida de las cenizas de la madera . Sin embargo, en el siglo XIII, la deforestación había hecho que este medio de producción fuera antieconómico y el álcali tuvo que ser importado. La potasa se importaba de América del Norte, Escandinavia y Rusia, donde aún había grandes bosques. El carbonato de sodio se importaba de España y las Islas Canarias, donde se producía a partir de las cenizas de las plantas de salicornia (llamadas cenizas de barrilla en España), o se importaba de Siria. [1] El carbonato de sodio de las cenizas de las plantas 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 eran las algas marinas , que llegaban a las costas de Escocia e Irlanda. [2] [3]
En 1783, el rey Luis XVI de Francia 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 , y esta comenzó a producir 320 toneladas de sosa por año. [4] Se le negó el dinero del premio debido a la Revolución Francesa . [5]
Para conocer la historia más reciente, consulte la historia industrial a continuación.
En el primer paso, el cloruro de sodio se trata con ácido sulfúrico en el proceso Mannheim . Esta reacción produce sulfato de sodio (llamado torta de sal ) y cloruro de hidrógeno :
Esta reacción química había sido descubierta en 1772 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele . La contribución de Leblanc fue el segundo paso, en el que una mezcla de la torta de sal y piedra caliza triturada ( carbonato de calcio ) se redujo mediante calentamiento con carbón . [6] Esta conversión implica dos partes. Primero está la reacción carbotérmica mediante la cual el carbón, una fuente de carbono , reduce el sulfato a sulfuro :
En la segunda etapa, se produce la reacción para producir carbonato de sodio y sulfuro de calcio . Esta mezcla se llama ceniza negra . [ cita requerida ]
El carbonato de sodio 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. [ cita requerida ]
En respuesta a la Ley de Álcalis , el nocivo sulfuro de calcio se convirtió en carbonato de calcio:
El sulfuro de hidrógeno se puede utilizar como fuente de azufre para el proceso de cámara de plomo para producir el ácido sulfúrico utilizado en el primer paso del proceso Leblanc.
Asimismo, en 1874 se inventó el proceso Deacon , oxidando el ácido clorhídrico sobre un catalizador de cobre:
El cloro se vendería como blanqueador para la fabricación de papel y textiles. Con el tiempo, las ventas de cloro se convirtieron en el objetivo del proceso Leblanc. El cloro barato contribuyó al desarrollo del proceso [clor-álcali]. [ cita requerida ]
El cloruro de sodio se mezcla inicialmente con ácido sulfúrico concentrado y la mezcla se expone a fuego lento. El gas de cloruro de hidrógeno burbujea y se descarta a la atmósfera antes de que se introduzcan las torres de absorción de gas. Esto continúa hasta que todo lo que queda es una masa fundida. Esta masa aún contiene suficiente cloruro para contaminar las etapas posteriores del proceso. Luego, la masa se expone a la llama directa, que evapora casi todo el cloruro restante. [7] [8]
El carbón utilizado en el siguiente paso debe ser bajo en nitrógeno para evitar la formación de cianuro . El carbonato de calcio, en forma de caliza o tiza, debe ser bajo en magnesia y sílice. La relación de peso de la carga es de 2:2:1 de torta de sal, carbonato de calcio y carbono respectivamente. Se cuece en un horno de reverbero a unos 1000 °C. [9] A veces, el horno de reverbero giraba y por eso se lo llamaba "revólver". [10]
El producto de la cocción de cenizas negras debe lixiviarse inmediatamente para evitar la oxidación de los sulfuros y su posterior formación de sulfatos. [9] En el proceso de lixiviación, las cenizas negras se cubren completamente de agua, nuevamente para evitar la oxidación. Para optimizar la lixiviación del material soluble, la lixiviación se realiza en etapas en cascada. Es decir, se utiliza agua pura sobre las cenizas negras que ya han pasado por etapas anteriores. El licor de esa etapa se utiliza para lixiviar una etapa anterior de las cenizas negras, y así sucesivamente. [9]
El licor final se trata insuflando dióxido de carbono a través de él. Esto precipita el calcio disuelto y otras impurezas. También volatiliza el sulfuro, que se elimina como gas H2S . Cualquier sulfuro residual se puede precipitar posteriormente añadiendo hidróxido de cinc . El licor se separa del precipitado y se evapora utilizando el calor residual del horno de reverbero. La ceniza resultante se vuelve a disolver en una solución concentrada en agua caliente. Los sólidos que no se disuelven se separan. A continuación, la solución se enfría para recristalizar carbonato de sodio decahidratado casi puro. [9]
Leblanc estableció la primera planta de procesamiento Leblanc en 1791 en Saint Denis . Sin embargo, los revolucionarios franceses se apoderaron de la planta, junto con el resto de la propiedad de Luis Felipe, en 1794, y dieron a conocer los secretos comerciales de Leblanc . Napoleón I devolvió la planta a Leblanc en 1801, pero al carecer de fondos para repararla y competir con otras fábricas de soda que se habían establecido mientras tanto, 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 practicó más ampliamente. [5] La primera fábrica de carbonato de sodio británica que utilizó el proceso Leblanc fue construida por la familia Losh de fundidores de hierro en las fábricas Losh, Wilson y Bell en Walker en el río Tyne en 1816, pero los elevados aranceles británicos sobre la producción de sal obstaculizaron la economía del proceso Leblanc y mantuvieron dichas operaciones a pequeña escala hasta 1824. Tras la derogación del arancel a la sal, la industria británica de carbonato de sodio creció drásticamente. La fábrica química 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 fábricas de Muspratt en Liverpool disfrutaban de proximidad y conexiones de transporte con las minas de sal de Cheshire, las cuencas carboníferas de St Helens y las canteras de piedra caliza de Gales del Norte y Derbyshire. [12] En 1852, la producción anual de soda 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 soda de 200.000 toneladas anuales superó la de todas las demás naciones del mundo juntas. [ cita requerida ]
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 producto residual de este proceso Solvay era el cloruro de calcio , por lo que era más económico y menos contaminante que el método Leblanc. Desde finales de la década de 1870, las fábricas de carbonato de sodio de Solvay en el continente europeo supusieron una dura competencia en sus mercados nacionales para la industria británica de carbonato de sodio de Leblanc. Además, la planta Brunner Mond Solvay, que se inauguró en 1874 en Winnington, cerca de Northwich, supuso una feroz competencia a nivel nacional. Los productores de Leblanc no podían competir con el carbonato de sodio de Solvay, y su producción de carbonato de sodio era en realidad un complemento a su todavía rentable producción de cloro, lejía en polvo, etc. (los subproductos no deseados se habían convertido en productos rentables). El desarrollo de métodos electrolíticos de producción de cloro también eliminó esa fuente de beneficios, y a ello siguió un declive moderado únicamente por los "pactos de caballeros" con los productores de Solvay. [13] Para 1900, el 90% de la producción mundial de soda era a través del método Solvay, o en el continente norteamericano, a través de la minería de trona , descubierta en 1938, lo que provocó el cierre de la última planta norteamericana de Solvay en 1986.
La última planta de carbonato de sodio basada en 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 áreas 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 depende de la baja solubilidad del bicarbonato correspondiente . Por lo tanto, el proceso Leblanc continuó utilizándose de forma limitada para la fabricación de K 2 CO 3 hasta mucho después. [ cita requerida ]
Las plantas de procesamiento de Leblanc eran bastante dañinas para el medio ambiente local. El proceso de generación de tortas de sal a partir de sal y ácido sulfúrico liberaba gas de ácido clorhídrico y, como este ácido era inútil industrialmente a principios del siglo XIX, simplemente se liberaba a la atmósfera. Además, se producía un residuo sólido maloliente e insoluble. Por cada 8 toneladas de carbonato de sodio, el proceso producía 5,5 toneladas de cloruro de hidrógeno y 7 toneladas de residuos de sulfuro de calcio. Estos residuos sólidos (conocidos como galligu) no tenían ningún valor económico y se amontonaban en montones y se esparcían en los campos cercanos a las plantas de carbonato de sodio, donde se erosionaban y liberaban sulfuro de hidrógeno , el gas tóxico responsable del olor a huevos podridos. [ cita requerida ]
Debido a sus emisiones nocivas, las fábricas de soda Leblanc se convirtieron en blanco de demandas y legislación. Una demanda de 1839 contra las fábricas de soda alegaba que "el gas de estas fábricas es de una naturaleza tan nociva que arruina todo lo que está dentro de su influencia, y es igualmente perjudicial para la salud y la propiedad. La hierba de los campos de sus alrededores está quemada, los jardines no dan ni frutas ni verduras; muchos árboles florecientes se han convertido últimamente en ramas desnudas y podridas. El ganado y las aves de corral se encogen y se marchitan. Empaña los muebles de nuestras casas, y cuando estamos expuestos a él, lo que ocurre con frecuencia, sufrimos tos y dolores de cabeza... todo lo cual atribuimos a las fábricas de Alkali". [15]
En 1863, el Parlamento británico aprobó la Ley de Álcalis de 1863 , la primera de varias Leyes de Álcalis , la primera legislación moderna sobre contaminación del aire . Esta ley permitía que no más del 5% del ácido clorhídrico producido por las plantas de álcalis pudiera ser liberado a la atmósfera. Para cumplir con la legislación, las plantas de soda hacían pasar el gas de cloruro de hidrógeno que se escapaba a través de una torre llena de carbón , donde era absorbido por el agua que fluía en la otra dirección. Las plantas químicas generalmente vertían la solución de ácido clorhídrico resultante en cuerpos de agua cercanos, matando a los peces y otras formas de vida acuática. [ cita requerida ]
El proceso Leblanc también implicaba condiciones de trabajo muy desagradables para los operarios. En un principio, requería una operación cuidadosa y frecuentes intervenciones de los operarios (algunas de ellas implicaban trabajo manual pesado) en procesos que desprendían sustancias químicas calientes y nocivas. [16] A veces, los trabajadores que limpiaban los productos de reacción del horno de reverbero usaban mordazas de tela para la boca y la nariz para mantener el polvo y los aerosoles fuera de los pulmones. [17] [18]
Esto mejoró un poco más tarde, cuando los procesos se mecanizaron más para mejorar la economía y la uniformidad del producto. [ cita requerida ]
En la década de 1880 se habían descubierto métodos para convertir el ácido clorhídrico en gas de cloro para la fabricación de polvo blanqueador y para recuperar el azufre de los desechos de sulfuro de calcio, pero el proceso Leblanc seguía siendo más derrochador y contaminante que el proceso Solvay . Lo mismo ocurre cuando se lo compara con los procesos electrolíticos posteriores que finalmente lo reemplazaron para la producción de cloro. [ cita requerida ]
Hay razones de peso para afirmar que los residuos del proceso Leblanc son el hábitat más amenazado del Reino Unido, ya que los residuos se degradan hasta convertirse en carbonato de calcio y producen un refugio para las plantas que prosperan en suelos ricos en cal, conocidos como calcicoles . Sólo cuatro de estos sitios han sobrevivido al nuevo milenio; tres están protegidos como reservas naturales locales, de las cuales la más grande, en Nob End cerca de Bolton , es una SSSI y una reserva natural local , en gran parte por su escasa flora de orquídeas y calcicoles, algo muy inusual en una zona con suelos ácidos. Esta isla alcalina contiene en su interior una isla ácida, donde se depositó escoria de caldera ácida, que ahora aparece como una zona dominada por el brezo, Calluna vulgaris . [19]