4 Quy trình sản xuất Soda (Na2CO3) – Đâu là phương pháp tối ưu?

Mỗi phương pháp sản xuất Soda (Na2CO3) đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng biệt. Để có được quy trình hiệu quả một cách tối đa, nó còn phụ thuộc vào điều kiện tài nguyên, yêu cầu về môi trường, kiểm soát chi phí và cơ sở hỗ trợ công nghiệp. Trong bài viết này, LifeVista sẽ chia sẻ tất tần tật đến bạn 4 quy trình sản xuất soda qua các thời kỳ. Theo dõi ngay!

1. Tìm hiểu chung về soda Na2CO3

Na2CO3 (natri cacbonat) là một hợp chất vô cơ, thường được gọi là xút giặt hoặc soda ash. Đây là muối dinatri của axit cacbonat có đặc tính kiềm hoá.

Tính chất vật lý của Natri cacbonat – Na2CO3

Tính chất hoá học của Natri cacbonat – Na2CO3

• Natri cacbonat khan bền với nhiệt. Nó nóng chảy mà không bị phân huỷ ở 852 độ C
• Dung dịch natri cacbonat có tính kiềm nhẹ do quá trình thuỷ phân giải phóng ion OH-

Na2CO3 + 2H2O → H2CO3 + 2Na+ + 2OH–

• Dung dịch Natri cacbonat hấp thụ cacbon dioxit từ không khí tạo thành natri hidro cacbonat

Na2CO3 + H2O + CO2 → 2NaHCO3

• Natri cacbonat tác dụng với axit như axit thực vật yếu, chẳng hạn như nước cốt chanh giải phóng carbon dioxide

Na2CO3 + 2H+ → 2Na+ + H2O + CO2

Na2CO3 + 2HCl → 2NaCl + H2O + CO2

Cấu trúc Natri Cacbonat – Na2CO3

Có thể thấy rằng mỗi phân tử natri cacbonat chứa 2 nguyên tử natri, 3 nguyên tử oxy và một nguyên tử cacbon. Mỗi cation natri mang điện tích +1, trong khi đó anion cacbonat đa nguyên tử mang điện tích ròng -2. Do đó, natri cacbonat là một phân tử trung hoà điện tích.

Xem thêm: Công thức hóa học của soda (natri cacbonat) là gì?

2. Tại sao cần tối ưu hóa quy trình sản xuất soda trong công nghiệp?

Trước đây, sản xuất soda chủ yếu được khai thác từ khoáng tự nhiên, một nguồn tài nguyên có hạn và phân bố không đồng đều. Tuy nhiên, đến thế kỷ 18-19, nhu cầu sử dụng soda trong ngành như thuỷ tinh, dệt nhuộm,… ngày càng tăng. Điều này thúc đẩy sự ra đời của quá trình sản xuất soda công nghiệp, cụ thể là phương pháp Leblanc và Solvay. Đây được xem là bước ngoặt lớn trong ngành hoá chất công nghiệp.

Khi chuyển từ khai thác tự nhiên sang sản xuất tổng hợp soda, con người chủ động hơn về nguồn cung và chi phí. Vì thế, các nhà máy hiện đại cần tối ưu hoá quy trình sản xuất soda để luôn đạt được hiệu quả cao nhất. Dưới đây là một số lý do quan trọng:

• Giảm chi phí sản xuất: Giúp tiết kiệm nguyên liệu, năng lượng và nhân công
• Tăng hiệu suất phản ứng: Tối đa hoá sản lượng tạo ra trong cùng một chu kỳ sản xuất
• Cải thiện chất lượng sản phẩm: Đảm bảo độ tinh khiết ổn định, đáp ứng các ngành công nghiệp đặc thù
• Giảm phát thải và ô nhiễm: Hạn chế CO2 và phụ phẩm độc hại, thân thiện với môi trường
• Phù hợp với xu hướng sản xuất xanh: Hỗ trợ doanh nghiệp đạt tiêu chuẩn phát triển bền vững
• Tái sử dụng phụ phẩm hiệu quả: Kết hợp xử lý nước thải, tận dụng phụ phẩm làm phân bón hoặc nguyên liệu phụ trợ

Xem thêm: Soda xử lý nước: Tác dụng và cách dùng hiệu quả từ A-Z

3. Tổng hợp 4 phương pháp sản xuất soda công nghiệp hiện nay

Sau khi đã hiểu rõ về Na2CO3 là gì và tại sao cần tối ưu quy trình sản xuất nó, LifeVisa sẽ chia sẻ đến bạn 4 phương pháp phổ biến về sản xuất soda sau đây.

3.1 Sản xuất soda từ khoáng sản tự nhiên

Phương pháp này trở nên thịnh hành và cạnh tranh với Solvay tại các khu vực có trữ lượng quặng lớn từ giữa thế kỷ 20. Nguyên liệu chính là quặng Trona tự nhiên. Nó có chi phí năng lượng thấp hơn phương pháp Solvay, do ít phản ứng hoá học cần nhiệt độ cao. Bên cạnh đó, quy trình này gây ra tác động khai thác mỏ, nhưng ít chất thải hoá học lỏng hơn so với các phương pháp tổng hợp.

Giai đoạn 1: Chuẩn bị và tinh chế nguyên liệu

• Natural soda (Soda tự nhiên): Nguyên liệu thô được khai thác
• Crushing (Nghiền): Quặng được đập nhỏ
• Sieving (Sàng lọc): Sàng để lấy các hạt có kích thước phù hợp
• Dissolve (Hoà tan): Bột soda được hoà tan trong nước
• Clarify (Làm trong): Loại bỏ các tạp chất rắn không tan để thu được dung dịch trong
• Preheat (Gia nhiệt sơ bộ): Dung dịch được đun nóng để chuẩn bị cho phản ứng

Giai đoạn 2: Tạo sản phẩm trung gian 

• Carbonation (Cacbonat hoá): Khí carbon dioxide (CO2) được sục vào dung dịch. Phản ứng này chuyển đổi natri cacbonat hòa tan thành các tinh thể Natri Bicarbonat (NaHCO3) không tan. Đây là bước tinh chế quan trọng, vì natri bicarbonat sẽ kết tủa trong khi các tạp chất khác vẫn còn lại trong dịch dịch
  • Nguồn CO2: Khí CO2 được lấy từ lò nung vôi (Lime kiln) và từ chính quá trừ sản xuất soda ash ở bước cuối (tái sử dụng)
• Leach/ Filtrate (Rửa/lọc): Hỗn hợp sau phản ứng được đem đi lọc để tách riêng phần chất rắn (tinh thể Natri Bicarbonat – ra khỏi dung dịch)

Giai đoạn 3: Tạo sản phẩm cuối cùng – Soda ash

• Calcine (Nung): Đây là bước quyết định. Phần chất rắn Natri bicarbonat thu được ở trên được đưa vào lò nung ở nhiệt độ cao. Dưới tác dụng của nhiệt, natri bicarbonat bị phân huỷ tạo thành Soda ash

2NaHCO₃ (rắn) —(nhiệt độ)—> Na₂CO₃ (rắn) + H₂O (hơi) + CO₂ (khí)

• Soda ash: Sản phẩm cuối cùng thu được sau khi nung chính là soda ash (natri cacbonat, Na2CO3) ở dạng bột khô.

Khí carbon dioxide (CO2) sinh ra từ bước Nung (Calcine) sẽ được thu hồi và dẫn ngược trở lại bước Cacbonat hoá (Carbonation). Vòng tuần hoàn này giúp quy trình trở nên hiệu quả, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường.

Tuy nhiên, khoáng sản tự nhiên chỉ có ở một số vùng địa chất nhất định, hạn chế đi việc áp dụng rộng rãi phương pháp này. Ngoài ra, khoáng Trona thường chỉ xuất hiện ở các khu vực có trữ lượng xeton tự nhiên dồi dào (như Hoa Kỳ, Thổ Nhĩ Kỳ, Nội Mông, Trung Quốc).

Xem thêm: Soda Ash Light là gì? Soda Light được dùng để làm gì?

3.2 Sản xuất soda bằng các quy trình tổng hợp hóa học

3.2.1 Phương pháp Leblanc

Đây là phương pháp công nghiệp đầu tiên để sản xuất soda ash, được phát minh bởi Nicolas Leblanc vào cuối thế kỷ 18. Phương pháp Leblanc đã thông trị ngành công nghiệp soda gần một thế kỷ trước khi bị Solvay thay thế hoàn toàn. Nguyên liệu chính gồm NaCl, H2SO4, CaCO3. Chi phí sản xuất khá cao do tiêu tốn năng lượng, đặc biệt là chi phí xử lý chất thải độc hại. Phương pháp Leblanc cực kỳ ô nhiễm, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Quy trình sản xuất soda với phương pháp Leblanc gồm hai giai đoạn hoá học chính:

• Tạo natri sunfat:

2NaCl + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2HCl

• Nung tạo soda ash:

Na₂SO₄ + 2C + CaCO₃ → Na₂CO₃ + CaS + 2CO₂

Sản phẩm cuối cùng Na2CO3 được tách ra khỏi hỗn hợp tro đen bằng cách hoà tan trong nước và kết tinh lại.

Xem thêm: Công thức hóa học của soda (natri cacbonat) là gì?

3.2.2 Phương pháp Solvay

Sản xuất soda bằng Solvay được phát minh bởi nhà hoá học người Bỉ Ernest Solvay vào những năm 1860. Phương pháp này nhanh chóng thay thế Leblanc và trở thành phương pháp phổ biến nhất trên toàn cầu hiện nay. Nguyên liệu chính là muối ăn (NaCl), đá vôi (CaCO3), amoniac (NH3) và nước (H2O). Chi phí sản xuất rất cạnh tranh do sử dụng nguyên liệu rẻ và tái chế hiệu quả NH3 và CO2. Phương pháp này ít ô nhiễm hơn nhiều so với Leblanc, nhưng tạo ra một lượng lớn sản phẩm phụ CaCl2 cần xử lý.

Giai đoạn 1: Chuẩn bị nguyên liệu

• Saturated saline solution (Dung dịch nước muối bão hoà): Nguyên liệu chính là nước muối được hoà tan đến mức bão hoà
• Tongammonia (Sục khí amoniac): Khí amoniac (NH3) được sục vào dung dịch nước muối bão hoà. Bước này tạo ra salt water. Việc này để amoniac làm cho dung dịch mang tính kiềm, hấp thụ khí CO2 ở bước sau dễ hơn
• Limestone (Đá vôi): Đây chính là nguyên liệu thứ hai (chủ yếu là canxi cacbonat, CaCO3)
• Calcine (Nung đá vôi): Đá vôi được nung trong lò ở nhiệt độ cao để phân huỷ, tạo ra 2 sản phẩm:
  • Calcium oxide (Vôi sống, CaO): Dùng cho bước tái sinh amoniac
  • Carbon dioxide (Khí CO2): Dùng cho phản ứng chính

 CaCO₃ → CaO + CO₂

Giai đoạn 2: Phản ứng chính và tạo sản phẩm thô

• Connect to carbon dioxide (Sục khí CO2): Khí CO2 từ lò nung vôi được sục vào nước muối amoniac hóa
• Sodium bicarbonate precipitation (Kết tủa natri cacbonat): Trong tháp phản ứng, các chất tác dụng với nhau. Do natri bicarbonat (NaHCO3) ít tan trong dung dịch, nó sẽ kết tủa dưới dạng chất rắn màu trắng.

 NaCl + NH₃ + CO₂ + H₂O → NaHCO₃↓ (kết tủa) + NH₄Cl (amoni clorua, tan trong dung dịch)

 Giai đoạn 3: Tách và tạo sản phẩm cuối cùng

• Filtration washing (Lọc và rửa): Hỗn hợp sau phản ứng được đem đi lọc để tách riêng hai phần
  • Phần rắn: Là kết tủa natri bicarbonat (NaHCO3)
  • Phần lỏng: Gọi là Mother liquor containing ammonium chloride
• Calcine (Nung): Phần rắn natri bicarbonat được đem đi nung ở nhiệt độ cao
• Soda ash: Quá trình nung sẽ phân huỷ NaHCO3 để tạo ra sản phẩm cuối cùng là soda ash.

2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂

Giai đoạn 4: Tái sinh Amoniac

Đây là bước cực kỳ quan trọng giúp quy trình có hiệu quả kinh tế.

• Lime cream (Sữa vôi): Vôi sống CaO từ lò nung vôi tác dụng với nước để tạo thành sữa vôi Ca(OH)2
• Ký hiệu Δ – Đun nóng: Dung dịch chứa amoni clorua (NH4Cl) từ bước lọc được trộn với sữa vôi và đun nóng
• Ammonica cycle (Vòng tuần hoàn Amoniac): Phản ứng tạo ra khí NH3, khí này được thu hồi và đưa trở lại giai đoạn 1 để sục vào nước muối
• Phản ứng: 2NH₄Cl + Ca(OH)₂ → 2NH₃↑ + CaCl₂ + 2H₂O
• Waste liquid and residue containing calcium chloride (Chất lỏng và cặn thải chứa canxi clorua): Sản phẩm phụ duy nhất của toàn bộ quy trình là dung dịch canxi clorua (CaCL2), thường được coi là chất thải

Xem thêm: NaHCO3 có lưỡng tính không? Tính chất hóa học của soda

3.2.3 Phương pháp cacbonat hóa xút NaOH (tận dụng sản phẩm từ điện phân muối)

Đây là một quy trình sản xuất soda gián tiếp, tận dụng sản phẩm của ngành công nghiệp điện phân xút-clo. Nguyên liệu chính là NaOH từ điện phân NaCl và CO2. Chi phí năng liệu tiêu tốn cho phương pháp này cao do tiêu tốn nhiều điện cho quá trình điện phân ban đầu. Tác động môi trường sẽ phụ thuộc vào cách sản xuất NaOH và CO2 sử dụng. Nếu tận dụng các sản phẩm phụ này từ quy trình khác, tác động có thể được giảm thiểu.

• Điện phân dung dịch muối ăn:

2NaCl + 2H₂O –(điện phân có màng ngăn)--> 2NaOH + Cl₂ + H₂

• Cacbonat hoá:

2NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O

4. So sánh ưu nhược điểm của 4 quy trình sản xuất Na2CO3

Dưới đây là bảng so sánh ngắn gọn các ưu và nhược điểm của 4 quy trình sản xuất soda. Điều này giúp bạn dễ dàng đánh giá và lựa chọn phương pháp phù hợp.

Qua bảng so sánh trên, có thể thấy rằng:

• Khoáng Trona là phương pháp hiệu quả và thân thiện môi trường, nhưng hạn chế về địa lý
• Solvay chiếm ưu thế công nghiệp toàn cầu vì tính ổn định và thân thiện môi trường hơn
• Điện phân và Leblanc có vai trò nhỏ trong xu hướng hiện nay

Xem thêm: Hóa chất bột Soda Ash Light Na2CO3 công nghiệp| Bao 40KG

5. Phương pháp điều chế soda hiệu quả nhất hiện nay là gì?

Phương pháp sản xuất soda hiệu quả nhất hiện nay là phương pháp Solvay. Đây là quy trình tổng hợp hoá học tối ưu nhất và đang được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu với hiệu quả kinh tế – kỹ thuật vượt trội.

Dù có phát sinh phụ phẩm như CaCl2, nhưng nhờ quy trình khép kín và khả năng thu hồi, Solvay vẫn là phương pháp chiếm >70% sản lượng soda công nghiệp toàn cầu (Theo Solvay Group và báo cáo của ICIS 2024)

6. Sản xuất soda công nghiệp để làm gì?

Sản xuất soda công nghiệp đóng vai trò vô cùng quan trọng trong nhiều lĩnh vực đời sống và sản xuất hiện nay. Dưới đây là các ứng dụng chính của soda công nghiệp mà bạn nên biết.

• Sản xuất thuỷ tinh: Đây là ứng dụng phổ biến nhất. Na2CO3 giúp hạ nhiệt độ nóng chảy của silica (SiO2). Từ đó tiết kiệm nhiên liệu và làm cho hỗn hợp thuỷ tinh dễ tạo hình hơn. Soda còn giúp tăng độ trong suốt và bền cơ học cho sản phẩm thuỷ tinh.
• Sản xuất xà phòng và chất tẩy rửa: Xà phòng hoá, phản ứng hoá học chuyển hoá chất béo thành xà phòng, cần NaOH. Quá trình này được sử dụng trong sản xuất xà phòng thủ công và xà phòng công nghiệp. Điều này đảm bảo sản phẩm có khả năng làm sạch và khử trùng cao.
• Ứng dụng trong xử lý nước: Na2CO3 có khả năng điều chỉnh độ pH của nước, khử độ cứng và hỗ trợ trong quá trình keo tụ tạp chất. Đây là lý do soda rất thường gặp trong quá trình xử lý nước sinh hoạt và nước thải công nghiệp.
• Ứng dụng trong ngành thực phẩm: Dưới dạng phụ gia E500, soda được dùng trong sản xuất bánh quy, bột nở, làm mềm rau quả và ổn định độ axit trong thực phẩm.
• Dùng trong dệt nhuộm và sản xuất giấy: Soda giúp điều chỉnh độ pH trong các công đoạn tẩy trắng, xử lý sợi vải và tăng hiệu quả của thuốc nhuộm trong ngành dệt. Đồng thời, nó cũng hỗ trợ loại bỏ lignin khi sản xuất bột giấy.

Xem thêm: 5 Vai trò quan trọng của Na2CO3 sản xuất thủy tinh bạn nên biết

7. Câu hỏi thường gặp về các quy trình sản xuất soda

Bên cạnh việc tìm hiểu về quy trình sản xuất soda, LifeVista sẽ trả lời những câu hỏi thường gặp sau đây.

7.1 Làm cách nào để sản xuất soda ash từ thực vật?

Bạn có thể sản xuất soda từ tro thực vật ven biển như rong biển hoặc cây mặn. Tro được hòa tan, lọc và cô đặc để kết tinh natri cacbonat (Na2CO3).

7.2 Soda chiết xuất từ khoáng trong tự nhiên có gì khác biệt so với soda tổng hợp hóa học?

Sản xuất soda tự nhiên thường có độ tinh khiết cao và ít tạp chất hơn. Trong khi đó, soda tổng hợp có thể điều chỉnh được thành phần theo mục đích sử dụng nhưng cần xử lý kỹ hơn.

7.3 Vì sao phương pháp Leblanc không còn được sử dụng trong sản xuất soda hiện đại?

Sản xuất soda bằng Leblanc gây ô nhiễm môi trường nặng, hiệu suất thấp và chi phí cap. Do đó, nó đã bị thay thế bởi quy trình Solvay hiệu quả và sạch hơn.

7.4 Giá bán soda tự nhiên có cao hơn soda tổng hợp hay không?

Sản xuất soda tự nhiên có giá thành cao hơn soda tổng hợp vì đặc tính khó khai thác. Bên cạnh đó, nó có trữ lượng giới hạn và chi phí cao hơn so với soda tổng hợp sản xuất đại trà.

8. Kết luận

Như vậy, việc nắm rõ các quy trình sản xuất soda sẽ giúp doanh nghiệp tối ưu chi phí và hiệu quả sản xuất. Đồng thời, đây cũng là bước quan trọng trong việc lựa chọn phương pháp phù hợp với nhu cầu thực tiễn. Bạn đang tìm kiếm nguồn cung Na2CO3 chất lượng, giá cả cạnh tranh? LifeVista tự hào là đối tác cung cấp soda công nghiệp uy tín, hỗ trợ tư vấn kỹ thuật và giải pháp toàn diện. Liên hệ ngay!