Natrio cianido gamybos procesas ir technologinė pažanga

Natrio cianidas (NaCN) yra svarbi pagrindinė cheminė žaliava, plačiai naudojama tokiose srityse kaip aukso kasyklų gavyba, galvanizavimas ir farmacijos tarpinių produktų sintezė. Jo Gamybos procesas praėjo daugiau nei šimtą metų technologinių iteracijų ir šiuo metu susiformavo pramoninė sistema, kurioje dominuoja sintezės metodas. Šiame straipsnyje bus sistemingai išdėstyti pagrindiniai gamybos procesai Natrio cianidas ir jų technologinę pažangą bei aptarti ateities plėtros kryptis.

I. Natrio cianido gamybos procesų raida

1. Ankstyvieji procesai (XIX a. pabaiga – XX a. vidurys)

Pirmosiomis dienomis buvo gaminama natrio cianidas daugiausia rėmėsi gamtos išteklių gavyba. Pavyzdžiui, 1887 metais išrastas „aukso gavybos cianidavimo procesas“. cianidai apdorojant cianido turinčius augalus (pvz., karčius migdolus). Tačiau šis metodas buvo neefektyvus, brangus ir sunkiai atitiko industrializacijos poreikius. XX amžiaus pradžioje vokiečių chemikas Friedrichas Kahlbaumas sukūrė cianido lydalo metodą, kuris paruošė Natrio cianidas reaguojant kalcio cianidui su natrio karbonatu. Dėl mažos žaliavų kainos ir proceso paprastumo šis procesas jau pirmosiomis dienomis tapo pagrindine technologija.

2. Sintezės metodo atsiradimas (nuo XX amžiaus vidurio iki šių dienų)

Vystantis naftos chemijos pramonei, sintezės metodas palaipsniui pakeitė tradicinius procesus. Šiuo metu daugiau nei 90 % natrio cianido visame pasaulyje gaminama naudojant šiuos tris sintezės procesus:

• Andrussow procesas

Naudojant metaną, amoniaką ir deguonį kaip žaliavas, veikiant platinos-rodžio lydinio katalizatoriui, vyksta oksidacijos reakcija:

Susidariusios vandenilio cianido (HCN) dujos absorbuojamos natrio hidroksidu, kad būtų gautas natrio cianido tirpalas. Šio proceso pranašumai – pigios žaliavos ir greitas reakcijos greitis, tačiau aukšta temperatūra (1000 - 1200°C) ir tauriųjų metalų katalizatorių naudojimas lemia dideles išlaidas.

• Lengvosios alyvos pirolizės metodas

Naudojant šviesiąją alyvą (pvz., benziną) kaip žaliavą, HCN susidaro pirolizės būdu aukštoje temperatūroje (1400–1500 °C), o tolesnis apdorojimas yra panašus į Andrussow procesą. Šis procesas yra tinkamas didelio masto gamybai, tačiau sunaudoja ypač daug energijos ir kaip šalutinis produktas sukuria didelį kiekį suodžių.

• Metanolio amoniako oksidacijos metodas

Naudojant metanolį, amoniaką ir orą kaip žaliavas, HCN susidaro veikiant katalizatoriui (pvz., V2O5-MoO3):

Šis procesas pasižymi mažomis žaliavų sąnaudomis ir švelniomis reakcijos sąlygomis (400 - 500°C), todėl palaipsniui tapo pageidaujamu pasirinkimu naujai pastatytiems gamybos pajėgumams.

II. Technologinės pažangos ir inovacijų kryptys

1. Žaliųjų procesų plėtra

Tradiciniai procesai turi didelių energijos sąnaudų ir didelės taršos problemų. Pastaraisiais metais mokslininkai ištyrė šias ekologiškas technologijas:

• Biosintezės metodas

Mikroorganizmų (tokių kaip Pseudomonas) naudojimas nitrilo junginių hidrolizei katalizuoti, kad susidarytų Cianidai, tačiau tai dar tik laboratorinė stadija.

• Elektrocheminė sintezė

Natrio cianido perdirbimas elektrolizuojant cianido turinčias nuotekas, kad būtų galima perdirbti išteklius, tačiau reikia toliau optimizuoti esamą efektyvumą ir išlaidas.

2. Pažangios valdymo ir saugos technologijos

Natrio cianido gamyboje naudojamos labai toksiškos medžiagos, todėl saugos kontrolė yra gyvybiškai svarbi. Šiuolaikinėse gamyklose paprastai naudojama paskirstytoji valdymo sistema (DCS), kad būtų pasiektas visiškai automatizuotas viso proceso stebėjimas, ir įdiegta internetinė spektrinės analizės technologija, skirta stebėti HCN koncentraciją realiuoju laiku, sumažinant nuotėkio riziką.

3. Žiedinės ekonomikos modelis

Gerinti išteklių panaudojimą naudojant bendros gamybos technologijas. Pavyzdžiui, anglies dioksidas, gaunamas naudojant Andrussow procesą, gali būti naudojamas karbamido gamybai, o anglies dioksidas, pagamintas Lengvosios alyvos pirolizės metodas gali būti naudojamas kaip gumos armavimo agentas, suformuojant uždaro ciklo pramoninę grandinę „ištekliai – produktai – atliekos – perdirbti ištekliai“.

III. Iššūkiai ir ateities tendencijos

1. Žaliavų kaštų svyravimai

Andrussow procesas ir metanolio metodas remiasi gamtinėmis dujomis (metanu) ir anglimis (kaip metanolio žaliava). Tarptautinių energijos kainų svyravimai tiesiogiai veikia gamybos sąnaudas. Neiškastinių žaliavų kelių (pvz., biomasės iki metanolio) kūrimas yra karšta ateities tyrimų tema.

2. Didėjantis aplinkos apsaugos spaudimas

Sugriežtinus pasaulinius aplinkos apsaugos reglamentus, gaminant natrio cianidą reikia dar labiau sumažinti azoto oksidų (NOx) ir cianido turinčių nuotekų išmetimą. Kai kuriose gamyklose buvo išbandyta membranų atskyrimo technologija, katalizinis oksidacijos denitrifikavimas ir kiti procesai.

3. Aukštos klasės taikomųjų programų išplėtimas

Didelio grynumo natrio cianido (grynumas ≥ 99.9 %) poreikis katodinių medžiagų pirmtakų sintezei ličio jonų akumuliatoriams sparčiai auga, skatinant gamybos proceso tobulinimą ir aukštą grynumą.

Išvada

Natrio cianido gamybos procesų kūrimas visada buvo susijęs su trimis pagrindiniais „saugos, efektyvumo ir ekologiškumo“ tikslais. Ateityje, įgyvendinant naujas energetikos ir aplinkos apsaugos technologijas, taip pat giliai integruojant skaitmeninę gamybą, natrio cianido pramonė ir toliau optimizuos mažesnes energijos sąnaudas, mažesnę taršą ir didesnę pridėtinę vertę.