bicarbonate de soude

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Contexte

Le bicarbonate de soude est une poudre cristalline blanche (NaHCO ₃ ) mieux connu des chimistes sous le nom de bicarbonate de sodium, bicarbonate de soude, hydrogénocarbonate de sodium ou carbonate acide de sodium. Il est classé comme un sel acide, formé en combinant un acide (carbonique) et une base (hydroxyde de sodium), et il réagit avec d'autres produits chimiques comme un alcali doux. À des températures supérieures à 300 degrés Fahrenheit (149 degrés Celsius), le bicarbonate de soude se décompose en carbonate de sodium (une substance plus stable), en eau et en dioxyde de carbone.

Les propriétés chimiques et physiques natives du bicarbonate de soude expliquent son large éventail d'applications, notamment le nettoyage, la désodorisation, le tamponnage et l'extinction d'incendie. Le bicarbonate de soude neutralise les odeurs chimiquement, plutôt que de les masquer ou de les absorber. Par conséquent, il est utilisé dans les sels de bain et les poudres déodorantes pour le corps. Le bicarbonate de soude a tendance à maintenir un pH de 8,1 (7 est neutre) même lorsque des acides, qui abaissent le pH, ou des bases, qui augmentent le pH, sont ajoutés à la solution. Sa capacité à former des comprimés en fait un bon ingrédient effervescent dans les antiacides et les produits de nettoyage pour prothèses dentaires. Le bicarbonate de sodium est également présent dans certains bains de bouche et dentifrices anti-plaque. Lorsque le bicarbonate de soude est utilisé comme nettoyant sous forme de pâte ou séché sur une éponge humide, sa structure cristalline fournit une abrasion douce qui aide à éliminer la saleté sans rayer les surfaces sensibles. Son alcalinité douce transforme les acides gras contenus dans la saleté et la graisse en une forme de savon qui peut être dissous dans l'eau et rincé facilement. Le bicarbonate de soude est également utilisé comme agent levant dans la fabrication de produits de boulangerie tels que le pain ou les crêpes. Lorsqu'il est combiné avec un agent acide (comme le jus de citron), du dioxyde de carbone est libéré et est absorbé par les cellules du produit. Au fur et à mesure que le gaz se dilate pendant la cuisson, les parois cellulaires se dilatent également, créant un produit levé.

En plus de ses nombreux usages domestiques, le bicarbonate de soude a également de nombreuses applications industrielles. Par exemple, le bicarbonate de soude libère du dioxyde de carbone lorsqu'il est chauffé. Étant donné que le dioxyde de carbone est plus lourd que l'air, il peut étouffer les flammes en empêchant l'oxygène d'entrer, ce qui fait du bicarbonate de sodium un agent utile dans les extincteurs. D'autres applications incluent le contrôle de la pollution de l'air (car il absorbe le dioxyde de soufre et d'autres émissions de gaz acides), les sablages abrasifs pour l'élimination des revêtements de surface, la fabrication de produits chimiques, le tannage du cuir, les fluides de forage de puits de pétrole (car il précipite le calcium et agit comme lubrifiant), le caoutchouc et la fabrication du plastique, la fabrication du papier, le traitement des textiles et le traitement de l'eau (car cela réduit le niveau de plomb et d'autres métaux lourds).

Importé d'Angleterre, le bicarbonate de soude a été utilisé pour la première fois en Amérique à l'époque coloniale, mais il n'a été produit aux États-Unis qu'en 1839. En 1846, Austin Church, un médecin du Connecticut, et John Dwight, un agriculteur du Massachusetts, ont établi une usine à New York pour fabriquer du bicarbonate de soude. Le fils du Dr Church, John, possédait un moulin appelé Vulcan Spice Mills. Vulcain, le dieu romain de la forge et du feu, était représenté par un bras et un marteau, et la nouvelle société de bicarbonate de soude a adopté le logo du bras et du marteau. Aujourd'hui, la marque de bicarbonate de soude Arm &Hammer est l'une des marques les plus reconnues.

Nommé d'après Nicolas Leblanc, le chimiste français qui l'a inventé, le procédé Leblanc a été le premier moyen de fabriquer du carbonate de sodium (Na ₂ CO ₃ ), à partir duquel le bicarbonate de sodium est fabriqué. Le chlorure de sodium (sel de table) a été chauffé avec de l'acide sulfurique, produisant du sulfate de sodium et de l'acide chlorhydrique. Le sulfate de sodium a ensuite été chauffé avec du charbon et du calcaire pour former du carbonate de sodium, ou carbonate de sodium.

À la fin des années 1800, une autre méthode de production de carbonate de sodium a été mise au point par Ernest Solvay, un ingénieur chimiste belge. La méthode Solvay est rapidement adaptée aux États-Unis, où elle remplace le procédé Leblanc. Dans le procédé Solvay, le dioxyde de carbone et l'ammoniac sont passés dans une solution concentrée de chlorure de sodium. Le bicarbonate de sodium brut précipite et est chauffé pour former du carbonate de sodium, qui est ensuite traité et raffiné pour former du bicarbonate de sodium de United States Pharnacopée (U.S.P.) pureté.

Bien que cette méthode de production de bicarbonate de soude soit largement utilisée, elle est également problématique car les produits chimiques utilisés dans le processus sont des polluants et causent des problèmes d'élimination. Une alternative consiste à raffiner le carbonate de sodium à partir du minerai de trona, un gisement naturel.

Matières premières

Le bicarbonate de soude, ou bicarbonate de sodium, provient du carbonate de sodium obtenu soit par le procédé Solvay, soit à partir du minerai de trona, un matériau dur et cristallin. Trona remonte à 50 millions d'années, à l'époque où les terres entourant Green River, dans le Wyoming, étaient recouvertes d'un lac de 600 milles carrés (1 554 kilomètres carrés). En s'évaporant au fil du temps, ce lac a laissé un dépôt de 200 milliards de tonnes de trona pur entre des couches de grès et de schiste. Le gisement du bassin de la rivière Green est suffisamment grand pour répondre aux besoins du monde entier en carbonate de sodium et en bicarbonate de sodium pendant des milliers d'années.

Étant donné que le procédé de synthèse utilisé dans la méthode Solvay présentait des problèmes de pollution, Church &Dwight Co. Inc. base de plus en plus sa fabrication sur l'extraction de trona. Un autre grand producteur de carbonate de sodium, la FMC Corporation, s'appuie également sur trona pour fabriquer du carbonate de sodium et du bicarbonate de sodium. Trona est extrait à 1 500 pieds (457,2 mètres) sous la surface. Les puits de mine de FMC contiennent près de 2 500 (4 022,5 kilomètres) milles de tunnels et couvrent 24 milles carrés (62 kilomètres carrés). Quinze pieds (4,57 mètres) de large et neuf pieds (2,74 mètres) de haut, ces tunnels permettent à l'équipement et aux véhicules nécessaires de les traverser.

Le processus de fabrication

Faire du carbonate de sodium

• 1 Le carbonate de sodium peut être fabriqué chimiquement en utilisant le procédé Solvay, ou il peut être fabriqué à partir de minerai de trona. Si du minerai de trona est utilisé, il doit d'abord être extrait. Une fois remonté à la surface, le minerai de trona est transporté vers diverses usines de traitement. Là, le minerai est raffiné en une suspension de sesquicarbonate de sodium, un produit de carbonate de sodium intermédiaire qui contient en fait à la fois du carbonate de sodium (carbonate de sodium) et du bicarbonate de soude (bicarbonate de sodium).

Faire du bicarbonate de soude

• 2 Ensuite, la solution intermédiaire de carbonate de sodium est placée dans une centrifugeuse, qui sépare le liquide des cristaux. Les cristaux sont ensuite dissous dans une solution de bicarbonate (une solution de carbonate de sodium fabriquée par le fabricant) dans un dissolveur rotatif, devenant ainsi une solution saturée. Cette solution est filtrée pour éliminer toutes les matières non solubles et est ensuite pompée à travers un réservoir d'alimentation jusqu'au sommet d'une tour de carbonatation.
• 3 Le dioxyde de carbone purifié est introduit dans le bas de la tour et maintenu sous pression. Au fur et à mesure que la solution de sodium saturée se déplace dans la tour, elle se refroidit et réagit avec le dioxyde de carbone pour former des cristaux de bicarbonate de sodium. Ces cristaux sont collectés au bas de la tour et transférés dans une autre centrifugeuse, où l'excès de solution (filtrat) est filtré. Les cristaux sont ensuite lavés dans une solution de bicarbonate, formant une substance semblable à un gâteau prête à être séchée. Le filtrat qui est retiré de la centrifugeuse est recyclé vers le dissolveur rotatif, où il est utilisé pour saturer davantage de cristaux de carbonate de sodium intermédiaires.
• 4 Le gâteau de filtration lavé est ensuite séché soit sur un convoyeur à bande continu, soit dans un séchoir à tube vertical appelé sécheur flash. Le rendement théorique du processus, selon la Church &Dwight Company, se situe entre 90 et 95 pour cent, et le bicarbonate de soude fabriqué est pur à plus de 99 pour cent.

Une illustration du processus de fabrication du bicarbonate de soude. Une étape clé du processus se produit dans la tour de carbonatation. Ici, la solution saturée de carbonate de sodium se déplace du haut de la tour vers le bas. En tombant, la solution se refroidit et réagit avec le dioxyde de carbone pour former des cristaux de bicarbonate de sodium, le bicarbonate de soude. Après filtration, lavage et séchage, les cristaux sont triés par taille de particules et conditionnés de manière appropriée.

Tri et stockage des
différents grades

• 5 Ensuite, les cristaux séchés de bicarbonate de sodium sont séparés en différentes qualités selon la taille des particules. Les qualités standard de bicarbonate de sodium et les qualités spéciales sont fabriquées pour répondre aux exigences spécifiques des clients, et la taille des particules est le principal déterminant des qualités. La poudre n°1 et les granulés fins n°2 ont un large éventail d'utilisations dans les aliments, les produits chimiques et les produits pharmaceutiques. Les grades granulaires 4 et 5 se trouvent dans les aliments et les beignets, les produits de nettoyage, les produits pharmaceutiques et de nombreux autres produits. Le bicarbonate de sodium de qualité industrielle est utilisé dans diverses applications, notamment les fluides de forage de puits de pétrole, les matériaux d'extinction d'incendie et le traitement de l'eau.
• 6 Chaque qualité va dans un bac de stockage dans lequel l'atmosphère, le dioxyde de carbone et la teneur en humidité sont contrôlés pour « durcir » le produit. Une fois durcis, les grades sont prêts à être emballés et expédiés.

Contrôle qualité

La qualité du bicarbonate de sodium est contrôlée à chaque étape du processus de fabrication. Les matériaux, l'équipement et le processus lui-même sont sélectionnés pour produire du bicarbonate de sodium de la plus haute qualité possible. Selon des sources de FMC, lorsque la société a construit des usines, elle a choisi des matériaux et des équipements compatibles avec les exigences de qualité strictes pour la fabrication de bicarbonate de sodium de qualité pharmaceutique. FMC utilise également le Contrôle statistique des processus (SPC) pour maintenir une qualité quotidienne constante, et les paramètres de fonctionnement clés sont répertoriés pour maintenir le contrôle du processus. Les paramètres de qualité des produits sont enregistrés par numéro de lot et les échantillons sont conservés pendant deux à trois ans.

Tous les U.S.P. les grades sont conformes au Pharmacopée des États-Unis et au Codex des produits chimiques alimentaires spécifications pour une utilisation dans des applications pharmaceutiques et alimentaires. De plus, le bicarbonate de sodium de qualité alimentaire répond aux exigences spécifiées par la Food and Drug Administration des États-Unis en tant que substance généralement reconnue comme sûre (GRAS).

Le futur

Au tournant du vingtième siècle, 53 000 tonnes (48 071 tonnes métriques) de bicarbonate de soude étaient vendues chaque année. Alors que la population augmentait considérablement, les ventes en 1990 étaient tombées à environ 32 000 tonnes (29 024 tonnes métriques) par an. La farine auto-levante et les mélanges pour gâteaux et biscuits ont diminué la demande de bicarbonate de soude en tant qu'ingrédient de boulangerie important. Néanmoins, la demande pour le produit est encore importante. Les boulangers commerciaux (en particulier les fabricants de biscuits) sont l'un des principaux utilisateurs de ce produit. L'un des attributs les plus importants du bicarbonate de sodium est que, lorsqu'il est exposé à la chaleur, il libère du dioxyde de carbone (CO ₂ ) ce qui fait monter les produits de boulangerie. Le bicarbonate de sodium est également utilisé dans les industries pharmaceutiques et de la santé, et il a également d'autres applications industrielles. Il continue donc d'être un produit important pour aujourd'hui et pour l'avenir.