Processos de fabricação da Soda Cáustica A soda cáustica é fabricada atualmente, através de dois processos, o Processo de Solvay, e o Processo Eletrolítico. O Processo de Solvay (ou processo da amônia-soda), das tentativas de baratear a produção de Na2CO3 (Obs.: A barrilha, Na2CO3, foi inserida nesta seção por ser também conhecida por soda leve) produzida pelo processo de Leblanc (processo ultrapassado), através do uso da reação total: 2NaCl + CaCO 3 Na 2 CO 3 + CaCl 2 O processo é muito mais complicado do que o sugerido pela reação total, e para complicar ainda mais a situação a reação é reversível e apenas 75% do NaCl é convertido em produto. O primeiro estágio do processo é a purificação da salmoura saturada, que então reage com a amônia gasosa. A salmoura amoniacal é carbonatada em seguida com CO2, formando NaHCO3. Este é insolúvel na salmoura por causa do efeito do íon comum, podendo ser separado por filtração. Por aquecimento à 150ºC, o bicarbonato NaHCO3 se decompõe em carbonato anidro Na2CO3 (chamado na indústria de soda leve, por que é um sólido com baixa densidade, 0,5g/cm³). A seguir o CO2 é removido por aquecimento da solução, sendo o gás reciclado para o processo anterior, a amônia NH3, é removida por adição de álcali (solução de cal em água), sendo reaproveitada também. A cal (CaO) é obtida por aquecimento de calcário (CaCO3), que também fornece o CO2 necessário. Quando a cal (CaO) é misturada com a água forma-se Ca(OH)2. NH 3 + H 2 O + CO 2 NH4.HCO 3 NaCl + NH4.HCO 3 NaHCO 3 + NH4Cl 2NaHCO 3 (150ºC) Na 2 CO 3 + CO 2 H 2 O CaCO 3 (1100ºC em forno de cal) CaO + CO 2 CaO + H 2 O Ca(OH) 2 2 NH4 + Ca(OH) 2 2 NH 3 + CaCl 2 + 2H 2 O
Desse modo os materiais consumidos são NaCl e CaCO 3, havendo além do produto desejado, Na 2 CO 3, a formação do subproduto CaCl 2. Há poucos usos para o CaCl 2, e só uma parte é recuperada da solução, sendo o restante desprezado. O principal uso do Na 2 CO 3 é a indústria de vidro, o que requer a soda pesada Na 2 CO 3. H 2 O. Para a sua obtenção a soda leve, obtida pelo processo de Solvay, é recristalizada com água quente. O processo eletrolítico, a eletrolise da salmoura foi descrita pela primeira vez por Cruickshank, mas só em 1834 Faraday desenvolveu as leis da eletrólise. Naquele tempo era muito restrito o uso da eletrólise, porque as únicas fontes de energia elétrica para realizá-las eram as baterias primárias. Essa situação mudou em 1872, quando Gramme inventou o dínamo. A primeira aparelhagem industrial a base de eletrólise foi instalada em 1891 na cidade de Frankfurt (Alemanha), na qual uma célula eletrolítica era preenchida, eletrolizada, esvaziada, a seguir novamente enchida... e assim por diante. Tratava-se portanto, de um processo descontinuo. Obviamente, uma célula que poderia trabalhar continuamente, sem a necessidade de ser esvaziada, produziria mais a menos custos. Nos anos seguintes surgiram muitas patentes e desenvolvimentos, visando à exploração das possibilidades industriais da eletrólise. A primeira instalação industrial na empregar uma célula contínua de diafragma foi provavelmente aquela idealizada por Le Seur em Romford, em 1893; surgiram as células de Castner em 1896. Em todas essas células (e também em muitas células modernas) empregava-se amianto como um diafragma para separar os compartimentos do ânodo e do cátodo. Com a adição constante de salmoura, havia uma produção contínua de NaOH e Cl 2. Na mesma época, Castner e Kellner (um americano que trabalhava na Inglaterra e um austríaco que trabalhava em Viena, sucessivamente) desenvolveram e patentearam versões semelhantes da célula de cátodo de mercúrio, em 1897. Os dois tipos de células, o de diafragma e o cátodo de mercúrio, permanecem uso. Os primeiros equipamentos de eletrólise produziam cerca de 2 toneladas de cloro por dia; as instalações modernas produzem 1000 toneladas por dia.
Na Eletrólise se da salmoura, ocorrem reações tanto no ânodo como no cátodo. Ânodo: 2Cl- Cl 2 + 2e Cátodo: Na + e Na 2Na + 2H 2 O 2NaOH + H 2 Se os produtos se misturarem, ocorrem reações secundárias: 2NaOH + Cl 2 NaOCl + H 2 ou 2OH + Cl 2 2OCl + H 2 e no ânodo pode ocorrer, até certo ponto, outra reação: 4OH 2H 2 O + 4e Agora veremos como são as células de diafragma e a célula de cátodo de mercúrio. Para manter separados os gases H 2 e Cl 2 (produzidos nos eletrodos), usase um diafragma poroso de amianto. Se os gases H 2 e Cl 2 misturarem-se, reagirão e a reação será explosiva. Na luz do dia (e ainda mais com a exposição direta à luz solar) ocorre uma reação fotolítica, que produz átomos de cloro. Estes provocam uma explosiva reação em cadeia.
O diafragma também separa os compartimentos do ânodo e do cátodo. Isso diminui a possibilidade de reação entre o NaOH, produzido no compartimento do cátodo, com o Cl 2, produzido no compartimento do ânodo. Diminuí assim a possibilidade de ocorrer uma reação secundária que leva a formação de hipoclorito de sódio NaOCl. Contudo, alguma quantidade de hidróxido de sódio ou de OH pode difundir para o outro compartimento, e isso inibido mantendo-se o nível do eletrólito mais alto no compartimento do ânodo que no compartimento do cátodo, com o que passa a haver um pequeno fluxo positivo do compartimento do ânodo ao do cátodo. Traços de oxigênio são formados em outra reação secundária. O oxigênio reage com os eletrodos do carbono, destruindo-os gradualmente, com a formação de CO 2. Há um interesse crescente em substituir o amianto do diafragma por finas membranas sintéticas de plástico. Essas membranas são feitas de um polímero chamado nafion, montado em um suporte de teflon. Membranas plásticas possuem uma resistência menor que o amianto. Menos que a metade do NaCl é convertido em NaOH, obtendo-se usualmente uma mistura de 11% de NaOH e 16% NaCl. Essa solução é concentrada num evaporador quando cristaliza uma considerável quantidade de NaOH, levando a solução final contendo 50% de NaOH e 1% de NaCl. Isso pode ou não ser importante, dependendo do uso a que se destina o NaOH. Para a maioria das aplicações industriais, o produto é vendido como solução, pois os custos da evaporação de todo o líquido com a obtenção do sódio excedem os custos adicionais de transporte da solução. Célula de diafragma industrial para a produção de cloro e hidróxido de sódio.
Célula de cátodo de mercúrio: Durante a eletrólise da salmoura, os íons de sódio migram em direção ao cátodo, no qual os íons são neutralizados. Na + e Na(metal) Se o cátodo for feito de mercúrio, os átomos de sódio assim formados se dissolvem no mercúrio formando um amálgama, um tipo de liga. O amálgama é levado a um compartimento separado, chamado de grafita de desnudamento, no qual corre água sobre fragmentos de grafita (que atuam aqui como sólido inerte). A água reage com o sódio do amálgama, obtendo-se assim NaOH puro e em concentração de 50%. Na(amálgama) + água NaOH + ½ hidrogênio + mercúrio O mercúrio puro é reciclado ao tanque de eletrólise. Originalmente os ânodos eram feitos de grafita, mas, por causa da formação de traços de oxigênio em uma reação secundária, estes ânodos se tornaram esburacados com o desgaste e liberação de gás carbônico. Os ânodos são agora fabricados de aço revestido de titânio. O titânio é muito resistente a corrosão, o que não somente evita em grande parte o problema do desgaste e formação de gás carbônico, mas reduz também a resistência elétrica.