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工业制纯碱方法比较

碳酸钠俗名纯碱或苏打,是白色固体,常含结晶水(Na2CO3·10H2O)。我国北方的天然碱矿中存在纯碱资源。它被广泛用于玻璃制造、造纸、纺织等工业。普通玻璃的大致组成是NA2O·CaO·6SiO2

碳酸氢钠俗名小苏打,也是白色固体。苏打和小苏打可互相转化:

Na2CO3+CO2+H2O→2NaHCO3

2NaHCO3工业制纯碱方法比较Na2CO3+CO2↑+H2O↑

NaHCO3与Na2CO3都是可溶性钠盐,但NaHCO3的溶解度比Na2CO3小得多,常温下二者的溶解度分别为每100g 水中8.4、15.9g。Na2CO3的饱和溶液中[Na]约为3mol/L,NaHCO3的饱和溶液中[Na]约为1mol/L。

天然纯碱毕竟不能满足越来越大的工业需求。1861年,比利时人索尔维发现用浓食盐水先后吸收氨和二氧化碳可获得NaHCO3沉淀,从而发明了被沿用至今的生产纯碱的“氨碱法”。产生沉淀的反应可表示为:

NaCl+NH3+CO2+H2O→NaHCO3↓+NH4Cl

滤出沉淀并煅烧就得到纯碱。

(问题:在NaCl溶液中先通入NH3还是CO2?)

NaHCO3沉淀被滤出后,母液中还有大量NH4Cl和NaHCO3、NaCl(即NH4、Cl、Na和HCO3)。氨碱法对母液的处理方法是加入石灰乳蒸馏回收NH3,同时产生大量CaCl2。氨碱法中CO2和NH3可循环使用,不足之处是CaCl2没有多大用途,只能丢弃。被同时丢弃的还有母液中的钠盐(由于混入大量Ca2+,母液无法循环),造成了原料NaCl的低利用率。

石灰乳和CO2的原料是石灰石(CaCO3)。如果不算母液中NaNH4的浪费,以上流程的总结果可表示为:

2NaCl+CaCO3→Na2CO3+CaCl2

这个总结果当然不是“复分解反应”。从这个“总结果”可见:

1.NH3是“真循环”,它参与了整个生产过程,却没有消耗成为产品,相当于“催化剂”。

2.CO2与其说是参与循环,不如说是“物尽其用”,理论上煅烧石灰石产生的CO2全部转化至纯碱产品。

3.来自NaCl的Cl和来自CaCO3的Ca2+最后成为废料CaCl2,且与Na2CO3等物质的量(其质量还大于Na2CO3)。如果有一艘万吨轮去载该厂的产品,还得同时派一艘万吨轮去载它的废料。

中国工程师侯德榜(1890-1974)将制碱厂与合成氨厂共建,从而将氨碱法改造成了“联合制碱法”。两种方法的区别主要体现在对母液的处理上。联合制碱法在母液中再次通入NH3并补充加入NaCl(而不是加入石灰乳),一方面利用沉淀平衡的移动原理迫使NH4Cl沉淀,一方面使NaHCO3转化为溶解度较大的Na2CO3,从而得到较纯的NH4Cl。

NH3·H2O+HCO3→CO32NH4+H2O

NH4+Cl→NH4Cl↓

同样可以给出联合制碱法的“理论总结果”:2NaCl+2NH3+CO2→Na2CO3+2NH4Cl

从中可见它与氨碱法的基本区别:

1.NH3不再“相当于催化剂”,它是被完全消耗的原料,需要由合成氨厂不断提供。

2.副产品是可作化肥的NH4Cl而不是CaCl2

3.没有Ca2+的干扰,母液被循环使用,NaCl等原料的利用率明显提高。

练习:欲在常温下的NaCl溶液中通人NH3和CO2产生NaHCO3沉淀,NaCl的质量分数至少为____%。(据NaCl+NH3+CO2+H2O→NaHCO3↓+NH4Cl计算。答5.4)


(责任编辑:化学自习室)
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