सोल्वे प्रक्रिया

सोल्वे प्रक्रिया या अमोनिया-सोडा प्रक्रिया सोडियम कार्बोनेट (सोडा पाउडर(ऐश), Na2Co3) के उत्पादन के लिए प्रमुख औद्योगिक प्रक्रिया है। 1860 के दशक के दौरान बेल्जियम के रसायनज्ञ अर्नेस्ट सोल्वे द्वारा अमोनिया-सोडा प्रक्रिया को अपने आधुनिक रूप में विकसित किया गया था। इसके लिए सामग्री आसानी से उपलब्ध और सस्ती हैं: नमक नमकीन (अंतर्देशीय स्रोतों या समुद्र से) और चूना पत्थर (खदानों से)। 2005 में सोडा पाउडर(ऐश) का विश्वव्यापी उत्पादन 42 मिलियन टन अनुमानित था, जो पृथ्वी पर प्रत्येक व्यक्ति के लिए प्रति वर्ष छह किलोग्राम (13 पौंड) से अधिक है। सोल्वे-आधारित रासायनिक संयंत्र अब इस आपूर्ति का लगभग तीन-चौथाई उत्पादन करते हैं, शेष प्राकृतिक जमा से खनन किया जाता है। इस पद्धति ने लेब्लांक प्रक्रिया का स्थान ले लिया है।

इतिहास
सोडा पाउडर(ऐश) नाम क्षार प्राप्त करने की प्रमुख ऐतिहासिक विधि पर आधारित है, जो कुछ पौधों की राख से इसे निकालने के लिए जल का उपयोग कर रही थी। लकड़ी की आग से पोटाश और इसके प्रमुख घटक पोटेशियम कार्बोनेट (K2Co3) प्राप्त होता है, जबकि इन विशेष पौधों की राख से सोडा पाउडर(ऐश) और इसका प्रमुख संघटक सोडियम कार्बोनेट (Na2Co3) प्राप्त होता है। सोडा शब्द (मध्य लैटिन से) मूल रूप से कुछ पौधों को संदर्भित करता है जो नमक के घुलनशील पदार्थों में उगते हैं; यह पता चला कि इन पौधों की राख से उपयोगी क्षार सोडा राख प्राप्त होती है। ऐसे पौधों की खेती 18वीं शताब्दी में स्पेन में विशेष रूप से विकास की उच्च अवस्था तक पहुंच गई, जहां पौधों को बैरिला नाम दिया गया; अंग्रेजी शब्द "बैरिल्ला" है।   समुद्री घास की राख  की राख से भी सोडा पाउडर(ऐश) निकलता है, और यह स्कॉटलैंड में 18वीं सदी के विशाल उद्योग का आधार था। मिस्र में सूखी झील के किनारे से भी क्षार का खनन किया गया था।

18वीं शताब्दी के अंत तक ये स्रोत साबुन, कपड़ा और कांच उद्योगों के लिए यूरोप की क्षार की बढ़ती मांग को पूरा करने के लिए अपर्याप्त थे। 1791 में, फ्रांसीसी चिकित्सक निकोलस लेब्लांक ने नमक, चूना पत्थर, सल्फ्यूरिक अम्ल और कोयले का उपयोग करके सोडा पाउडर(ऐश) बनाने की एक विधि विकसित की। यद्यपि 19वीं शताब्दी की शुरुआत में लेब्लांक प्रक्रिया क्षार उत्पादन पर हावी हो गई थी, इसके इनपुट(निविष्टियाँ) और इसके प्रदूषणकारी उप-उत्पादों (हाइड्रोजन क्लोराइड गैस सहित) के खर्च ने यह स्पष्ट कर दिया कि यह एक आदर्श विलयन से बहुत दूर था।

यह बताया गया है कि 1811 में फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी ऑगस्टिन जीन फ्रेस्नेल ने पाया कि सोडियम बाइकार्बोनेट अवक्षेपित होता है जब कार्बन डाइऑक्साइड को अमोनिया युक्त ब्राइन(नमकीन) के माध्यम से बुदबुदाया जाता है - जो कि सोल्वे प्रक्रिया के लिए रासायनिक अभिक्रिया है। यह खोज प्रकाशित नहीं हुई थी। जैसा कि डेसमंड रेली द्वारा उल्लेख किया गया है, अमोनियम-सोडा प्रक्रिया के विकास की कहानी एक दिलचस्प उदाहरण है जिसमें एक खोज की जा सकती है और फिर एक तरफ रख दी जाती है और बाद में काफी समय तक लागू नहीं की जाती है। एक औद्योगिक प्रक्रिया के आधार के रूप में इस अभिक्रिया पर गंभीर विचार 1834 में H.G. दयार और J. हेमिंग को जारी ब्रिटिश पेटेंट(एकस्व) से शुरू होता है। अलग-अलग सफलता के साथ, औद्योगिक अभ्यास के प्रति इस अभिक्रिया को कम करने के कई प्रयास किए गए।

1861 में, बेल्जियम के औद्योगिक रसायनज्ञ अर्नेस्ट सोल्वे ने समस्या की ओर अपना ध्यान आकर्षित किया; वह जाहिर तौर पर पहले के व्यापक काम से काफी हद तक अनभिज्ञ थे। उनका विलयन, एक 24 मीटर (79 फीट) गैस अवशोषण टॉवर(मीनार) जिसमें ब्राइन(नमकीन) के अवरोही प्रवाह के माध्यम से कार्बन डाइऑक्साइड बुदबुदाती है। यह, अमोनिया की कुशल वसूली और पुनर्चक्रण के साथ मिलकर प्रभावी साबित हुआ। 1864 तक सोल्वे और उनके भाई अल्फ्रेड ने वित्तीय सहायता प्राप्त कर ली थी और बेल्जियम के कुइलेट में एक संयंत्र का निर्माण किया था, जो आज बेल्जियम के शहर शारलेरोई  का एक उपनगर है। लेब्लांक पद्धति की तुलना में नई प्रक्रिया अधिक किफायती और कम प्रदूषणकारी साबित हुई और इसका उपयोग फैल गया। 1874 में, सोल्वे ने नैन्सी, फ्रांस में एक नए, बड़े संयंत्र के साथ अपनी सुविधाओं का विस्तार किया।

उसी वर्ष, लुडविग मोंड ने बेल्जियम में सोल्वे का दौरा किया और नई तकनीक का उपयोग करने के अधिकार प्राप्त किए। उन्होंने और जॉन टॉमलिंसन ब्रूनर ने मॉन्ड एंड कंपनी की फर्म बनाई और नॉर्थविच, चेशायर, इंग्लैंड के पास विनिंगटन में सोल्वे संयंत्र का निर्माण किया। इस सुविधा का संचालन 1874 में शुरू हुआ था। मॉन्ड ने सोल्वे प्रक्रिया को व्यावसायिक सफलता दिलाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई थी। उन्होंने 1873 और 1880 के बीच कई परिशोधन किए जो उन उप-उत्पादों को हटाते थे जो प्रक्रिया को धीमा या रोक सकते थे।

1884 में, सोल्वे बंधुओं ने अमेरिका में सोडा पाउडर(ऐश) का उत्पादन करने के लिए अमेरिकियों विलियम बी. कॉगस्वेल और रॉलैंड हैज़र्ड को लाइसेंस दिया और सोल्वे, न्यूयॉर्क में एक संयंत्र बनाने और संचालित करने के लिए एक संयुक्त उद्यम (सोल्वे प्रक्रिया कंपनी) का गठन किया।

1890 के दशक तक, सोल्वे-प्रक्रिया संयंत्रों ने दुनिया के अधिकांश सोडा पाउडर(ऐश) का उत्पादन किया।

1938 में व्योमिंग में ग्रीन नदी (कोलोराडो_रिवर_ट्रिब्यूटरी) के पास खनिज ट्रोन (ऊँची कुर्सी) के बड़े भंडार की खोज की गई, जिसमें से सोडियम कार्बोनेट को प्रक्रिया द्वारा उत्पादित की तुलना में अधिक सस्ते में निकाला जा सकता है। 1986 में मूल सॉल्वे, न्यूयॉर्क संयंत्र के बंद होने के साथ, वर्तमान में लॉन्गव्यू, वाशिंगटन शहर में एक सोल्वे संयंत्र परिचालन में है। यह क्षेत्र पेपर मिलों की आपूर्ति करता है। दुनिया के बाकी हिस्सों में सॉल्वे प्रक्रिया सोडा पाउडर(ऐश) का प्रमुख स्रोत बनी हुई है।

रसायन विज्ञान
सॉल्वे प्रक्रिया के परिणामस्वरूप ब्राइन(नमकीन) (सोडियम क्लोराइड (NaCl) के स्रोत के रूप में) और चूना पत्थर से (कैल्शियम कार्बोनेट (CaCo3) के स्रोत के रूप में). से सोडा पाउडर(ऐश) (मुख्य रूप से सोडियम कार्बोनेट (Na2Co3)) प्राप्त होता है। यह समग्र प्रक्रिया है:



इस वैश्विक, समग्र अभिक्रिया का वास्तविक कार्यान्वयन जटिल है। चित्र में दर्शाए गए चार अलग-अलग, अंतःक्रियात्मक रासायनिक अभिक्रियाओं का उपयोग करके एक सरलीकृत विवरण दिया जा सकता है। प्रक्रिया में पहले चरण में, कार्बन डाईऑक्साइड (CO2) सोडियम क्लोराइड (टेबल सॉल्ट, NaCl) और अमोनिया (NH3) के एक केंद्रित जलीय घोल से होकर गुजरती है।


 * ---(I)

औद्योगिक व्यवहार में, दो टावरों के माध्यम से केंद्रित नमकीन (खारे जल) को पारित करके अभिक्रिया की जाती है। पहले में, अमोनिया ब्राइन(नमकीन) के माध्यम से बुदबुदाती है और इसके द्वारा अवशोषित हो जाती है। दूसरे में, अमोनियायुक्त ब्राइन(नमकीन) के माध्यम से कार्बन डाइऑक्साइड के बुलबुले उठते हैं, और सोडियम बाईकारबोनेट  (बेकिंग सोडा) घोल से बाहर निकल जाता है। ध्यान दें कि, एक बुनियादी विलयन में NaHCO3 सोडियम क्लोराइड की तुलना में कम जल में घुलनशील है। अमोनिया (NH3)  एक बुनियादी (उच्च) ph पर  विलयन को बफ़र करता है; अमोनिया के बिना, एक हाइड्रोक्लोरिक अम्ल उप-उत्पाद विलयन को अम्लीय बना देगा और अवक्षेपण को रोक देगा। इधर, NH3 अमोनियामय ब्राइन(नमकीन) के साथ मिलकर यह मदरलिकर(माँ शराब) का काम करता है।

अभिक्रिया के लिए आवश्यक अमोनिया उत्प्रेरक (I) को बाद के चरण में पुनः प्राप्त किया जाता है, और अपेक्षाकृत कम अमोनिया का सेवन किया जाता है। अभिक्रिया (I) के लिए आवश्यक कार्बन डाइऑक्साइड 950-1100 डिग्री सेल्सियस पर चूना पत्थर के गर्म करके (पकाना)("निस्तापन") और सोडियम बाइकार्बोनेट (नीचे देखें) के निस्तापन द्वारा निर्मित होता है। चूना पत्थर में कैल्शियम कार्बोनेट (CaCO3) आंशिक रूप से बिना बुझाया हुआ चूना (कैल्शियम ऑक्साइड (CaO)) और कार्बन डाइऑक्साइड में परिवर्तित हो जाता है:


 * --- (II)

सोडियम बाइकार्बोनेट (NaHCO3) जो अभिक्रिया (I) में अवक्षेपित होता है, उसे गर्म अमोनियम क्लोराइड (NH4Cl) विलयन से छाना जाता है, और फिर घोल को चूने (कैल्शियम ऑक्साइड (CaO)) के साथ अभिक्रिया दी जाती है, जो चरण (II) में चूने के पत्थर को गर्म करने से बच जाता है।


 * ---(III)

CaO एक मजबूत बुनियादी विलयन बनाता है। अभिक्रिया (III) से अमोनिया अभिक्रिया (I) के प्रारंभिक नमकीन घोल में वापस पुनर्नवीनीकरण किया जाता है।

सोडियम बाइकार्बोनेट (NaHCO3) अभिक्रिया (I) से अवक्षेपित होता है, फिर निस्तापन (160–230 °C) द्वारा अंतिम उत्पाद, सोडियम कार्बोनेट (वाशिंग सोडा: Na2CO3) में परिवर्तित किया जाता है, जिससे जल और कार्बन डाइऑक्साइड उप-उत्पादों के रूप में बनते हैं:


 * --- (IV)

चरण (IV) से कार्बन डाइऑक्साइड को चरण (I) में पुन: उपयोग के लिए पुनर्प्राप्त किया जाता है। जब उचित रूप से डिजाइन(परिकल्पित) और संचालित किया जाता है, तो सोल्वे संयंत्र अपने लगभग सभी अमोनिया को पुनः प्राप्त कर सकता है, और नुकसान की भरपाई के लिए अतिरिक्त अमोनिया की केवल थोड़ी मात्रा का उपभोग करता है। सोल्वे प्रक्रिया के लिए एकमात्र प्रमुख इनपुट(निविष्टियाँ) नमक, चूना पत्थर और तापीय ऊर्जा है, और इसका एकमात्र प्रमुख उपोत्पाद कैल्शियम क्लोराइड है, जिसे कभी-कभी सड़क नमक(रोड नमक) के रूप में बेचा जाता है।

1910-1920 के दशक में हैबर प्रक्रिया और अन्य नई अमोनिया-उत्पादक प्रक्रियाओं के आविष्कार के बाद इसकी कीमत गिर गई, और इसे पुनः प्राप्त करने की कम आवश्यकता थी। इसलिए 1930 के दशक में चीनी रसायनज्ञ हो यूडी ई बैंग द्वारा विकसित संशोधित सोल्वे प्रक्रिया में, पहले कुछ चरण सोल्वे प्रक्रिया के समान हैं, लेकिन CaCl2 अमोनियम क्लोराइड(NH4Cl) द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है । बचे हुए घोल को चूने से उपचारित करने के बजाय, कार्बन डाइऑक्साइड और अमोनिया को घोल में पंप किया जाता है, फिर सोडियम क्लोराइड तब तक डाला जाता है जब तक कि घोल 40 डिग्री सेल्सियस पर संतृप्त न हो जाए। इसके बाद, घोल को 10 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा किया जाता है। अमोनियम क्लोराइड अवक्षेपित होता है और निस्पंदन द्वारा हटा दिया जाता है, और अधिक सोडियम कार्बोनेट का उत्पादन करने के लिए विलयन को पुनर्नवीनीकरण किया जाता है। हौ(Hou's) की प्रक्रिया कैल्शियम क्लोराइड के उत्पादन को समाप्त करती है। उप-उत्पाद अमोनियम क्लोराइड को परिष्कृत किया जा सकता है, एक उर्वरक के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है और CaCl2 से अधिक व्यावसायिक मूल्य हो सकता है, इस प्रकार अपशिष्ट बिस्तरों(बेड)(बेड) की सीमा को कम करता है।

इस प्रक्रिया के औद्योगिक कार्यान्वयन के अतिरिक्त विवरण यूरोपियन सोडा पाउडर(ऐश) निर्माता संघ के लिए तैयार की गई रिपोर्ट में उपलब्ध हैं।

उपोत्पाद और अपशिष्ट
सोल्वे प्रक्रिया का प्रमुख उपोत्पाद जलीय घोल में कैल्शियम क्लोराइड(CaCl2) है। इस प्रक्रिया में अन्य अपशिष्ट और उपोत्पाद भी हैं। निस्तारित किए गए सभी चूना पत्थर को बुझा हुआ चूना और कार्बन डाइऑक्साइड (अभिक्रिया II में) में परिवर्तित नहीं किया जाता है; अवशिष्ट कैल्शियम कार्बोनेट और चूना पत्थर के अन्य घटक अपशिष्ट बन जाते हैं। इसके अलावा, प्रक्रिया द्वारा उपयोग की जाने वाली नमक की नमकीन समान्यता मैग्नीशियम और कैल्शियम आयनों को हटाने के लिए शुद्ध किया जाता है समान्यता कार्बोनेट (मैग्नीशियम बाइकार्बोनेट MgCO3, कैल्शियम कार्बोनेट CaCO3) बनाने के लिए; अन्यथा, ये अशुद्धियाँ विभिन्न अभिक्रिया वाहिकाओं और टावरों में पैमाना पैदा कर देंगी। ये कार्बोनेट अतिरिक्त अपशिष्ट उत्पाद हैं।

अंतर्देशीय पौधों में, जैसे कि सोल्वे, न्यूयॉर्क में, उप-उत्पादों को अपशिष्ट बिस्तरों(बेड) में जमा किया गया है; इन अपशिष्ट बिस्तरों(बेड) में जमा सामग्री का वजन उत्पादित सोडा पाउडर(ऐश) से लगभग 50% अधिक था। इन अपशिष्ट बिस्तरों(बेड) ने मुख्य रूप से कैल्शियम और क्लोराइड द्वारा जल प्रदूषण को जन्म दिया है। सोल्वे, न्यूयॉर्क में अपशिष्ट बिस्तरों(बेड) ने पास के ओन्डोंडागा झील में लवणता को काफी हद तक बढ़ा दिया, जो यू.एस. में सबसे प्रदूषित झीलों में से एक हुआ करती थी। और एक सुपर फंड(अति कोष) प्रदूषण स्थल है। जैसे-जैसे अपशिष्ट बिस्तर(बेड) पुराने होते जाते हैं, वे पादप समुदायों का समर्थन करना शुरू कर देते हैं जो कई वैज्ञानिक अध्ययनों का विषय रहा है।

समुद्र तटीय स्थानों पर, जैसे कि सौराष्ट्र (क्षेत्र), गुजरात, भारत में, CaCl2 विलयन सीधे समुद्र में छोड़ा जा सकता है, स्पष्ट रूप से पर्याप्त पर्यावरणीय नुकसान के बिना (यद्यपि इसमें भारी धातुओं की थोड़ी मात्रा एक समस्या हो सकती है), प्रमुख चिंता कच्छ की खाड़ी के समुद्री राष्ट्रीय उद्यान के भीतर निर्वहन स्थान है जो प्रवाल भित्तियों, समुद्री घास और समुद्री शैवाल समुदाय के लिए आवास के रूप में कार्य करता है। ओसबोर्न, दक्षिण ऑस्ट्रेलिया में, अब एक निस्तारण तालाब का उपयोग अब 99% CaCl2 को हटाने के लिए किया जाता है क्योंकि पूर्व निर्वहन शिपिंग चैनल को सिल्ट कर रहा था। टस्कनी, इटली में रोजिग्नानो सॉल्वे में सोल्वे कारखाने द्वारा उत्पादित चूना पत्थर के कचरे ने परिदृश्य को बदल दिया है, जिससे स्पीग बियांचे (सफेद समुद्र तट) का उत्पादन होता है। संयुक्त राष्ट्र पर्यावरण कार्यक्रम (UNEP) द्वारा 1999 में प्रकाशित एक रिपोर्ट में स्पाइज बियांचे को भूमध्य सागर के तटीय क्षेत्रों में प्राथमिकता वाले प्रदूषण हॉट स्पॉट के रूप में सूचीबद्ध किया गया है।

कार्बन प्रच्छादन और सोल्वे प्रक्रिया
कार्बन प्रच्छादन के लिए सोल्वे प्रक्रिया में बदलाव प्रस्तावित किए गए हैं। एक विचार कार्बन डाइऑक्साइड की अभिक्रिया करना है, जो शायद कोयले के दहन से उत्पन्न होता है, ठोस कार्बोनेट (जैसे सोडियम बाइकार्बोनेट) बनाने के लिए जिसे स्थायी रूप से संग्रहीत किया जा सकता है, इस प्रकार वातावरण में कार्बन डाइऑक्साइड गैस(ग्रीनहाउस गैस) उत्सर्जन से बचा जा सकता है। समग्र अभिक्रिया देने के लिए सोल्वे प्रक्रिया को संशोधित किया जा सकता है:


 * 2 NaCl + CaCO3 + +  → 2NaHCO3 +CaCl2

कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन को सोडियम कार्बोनेट में परिवर्तित करने के लिए सॉल्वे प्रक्रिया में बदलाव प्रस्तावित किए गए हैं, लेकिन कैल्शियम या मैग्नीशियम कार्बोनेट द्वारा कार्बन पृथक्करण अधिक आशाजनक प्रतीत होता है।[संदिग्ध - चर्चा करें] यद्यपि, कैल्शियम या मैग्नीशियम के साथ कार्बन पृथक्करण के लिए इस्तेमाल की जा सकने वाली मात्रा की तुलना में मानव जाति द्वारा समाप्त कार्बन डाइऑक्साइड की मात्रा बहुत कम है।[क्यों?] इसके अलावा, सॉल्वे प्रक्रिया में बदलाव संभवत: एक अतिरिक्त ऊर्जा खपत वाला कदम जोड़ देगा, जो कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन में वृद्धि करेगा जब तक कि जलविद्युत, परमाणु ऊर्जा, पवन ऊर्जा या सौर ऊर्जा जैसे कार्बन तटस्थ ऊर्जा स्रोतों का उपयोग नहीं किया जाता है।

यह भी देखें

 * क्लोरालकली प्रक्रिया

अग्रिम पठन

 * The minimum energy required to calcine limestone is about 3.16 GJ per tonne.

बाहरी संबंध

 * European Soda Ash Producer's Association (ESAPA)
 * Timeline of US plant at Solvay, New York
 * Salt and the Chemical Revolution
 * Process flow diagram of Solvay process