Исследование процесса получения очищенного бикарбоната натрия из маточного раствора образующихся при получении сесквикарбоната натрия

АННОТАЦИЯ

Исследовано влияние технологических параметров на процесс получения очищенного бикарбоната натрия и фильтратов, образующихся при фильтрации суспензии сесквикарбоната натрия.

Установлено что для получения чистого бикарбоната натрия процесс проводится при температуре100ºС, концентрация содового раствора - 19-20%, добавка сырого бикарбоната натрия - 10%.

Разработан способ получения сесквикарбоната натрия и бикарбоната натрия, который включает стадии приготовления насыщенного раствора карбоната натрия в маточном растворе, смешивание раствора с гидрокарбонатом натрия и далее после отделения сесквикарбоната натрия маточный раствор карбонизируется с получением бикарбоната натрия.

ABSTRACT

The influence of technological parameters on the process of obtaining purified sodium bicarbonate and filtrates formed during filtration of a suspension of sodium sesquicarbonate has been investigated.

It was found that to obtain pure sodium bicarbonate, the process is carried out at a temperature of 100ºC, the concentration of the soda solution is 19-20%, the addition of crude sodium bicarbonate is 10%.

A method for obtaining sodium sesquicarbonate and sodium bicarbonate has been developed, which includes the stages of preparing a saturated solution of sodium carbonate in a mother liquor, mixing the solution with sodium bicarbonate and then, after separating sodium sesquicarbonate, the mother liquor is carbonized to obtain sodium bicarbonate.

Ключевые слова: сесквикарбонат натрия, карбонат натрия, кристаллизация, материальный баланс.

Keywords: sodium sesquicarbonate, sodium carbonate, crystallization, material balance.

Ранее нами было исследовано получение сесквикарбоната натрия жидкостными и газожидкостным способом [1, с.312; 2, с.1273; 3, с.1170; 4, с.13-16; 5, с.6-9; 6]. Целью данной работы является исследование влияния технологических параметров на процесс получения бикарбоната натрия из маточного раствора.

Для теоретического анализа процесса карбонизации маточных содовых растворов использовали участок диаграммы Na₂CO₃-NaHCO₃-H₂O системы Na₂O-CO₂-H₂O при температурах 25 и 100°С (рисунок 1 и таблица 1).

На основе анализа литературных данных и полученных нами экспериментальных результатов построена изотермическая диаграмма растворимости вышеуказанных компонентов. Из приведенных данных видно, что в изученной системе имеется область кристаллизации бикарбоната натрия, а в качестве новой фазы образуется десяти- или одноводный карбонат натрия и двуводная двойная соль - сесквикарбонат натрия.

Из диаграммы растворимости системы Na₂CO₃-NaHCO₃-H₂O при температурах 25 и 100°С следует, что, с повышением температуры расширяется поле кристаллизации бикарбоната натрия и двойной соли -сесквикарбоната натрия. Это указывает на меньшую растворимость вышеуказанных компонентов, чем карбоната натрия.

Характеристики двойных и тройных точек системы представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Двойные и тройные узловые точки системы Na₂CO₃-NaHCO₃-H₂O при температур 100°С

Рассмотрим процесс получения сесквикарбонатаи /или очишенного бикарбоната натрия: при 5%-ной добавке сырого бикарбоната натрия к содовому раствору. При нагревании до 100ºС образуются ненасыщенные растворы. Для образования суспензии, находящейся в области кристаллизации бикарбоната натрия, необходимо продолжить процесс со степенью карбонизации более 24,53; 19,67 и 17,05%, соответственно, при применении 18, 20 и 24%-ного раствора кальцинированной соды. Это связано с высаливающим действием карбоната натрия и растворимостью бикарбоната натрия. Однако дальнейшее повышение концентрации содового раствора влияет иначе. Для насыщения системы только бикарбонатом натрия необходимо карбонизировать низкоконцентрированный содовый раствор. Например, при применении 26%-ного содового раствора необходимо поднять степень карбонизации до 24,83%, а при 30%-ном содовом растворе - до 34,62%. Это связано с тем, что при карбонизации сначала образуется трона, а далее смесь троны и бикарбоната натрия и, наконец, только бикарбонат натрия.

Необходимо отметить, что в этих условиях в системе имеется твердый бикарбонат натрия со значением Т:Ж 0,045 и 0,142 при применении содового раствора с концентрацией 26 и 30% , соответственно, дальнейшее повышение степени карбонизации приводит к повышению Т:Ж. Однако использование содового раствора с концентрацией более 24% нежелательно, поскольку при кристаллизации бикарбоната натрия в его кристаллической решетке сокристаллизуется карбонат натрия, который не вымывается при его промывке. При увеличении добавки сырого бикарбоната до 10%, вышеуказанное явление наблюдается даже при применении 20%-ного содового раствора, так как, фигуративная точка системы при 100ºС находится на кривой линии насыщения троны. При применении содового раствора с концентрацией более 20% фигуративная точка системы находится в области кристаллизации троны.

Из этой системы бикарбонат натрия можно получить шестью методами:

1. Прямая карбонизация исходной суспензии при 100ºС до образования бикарбонатной суспензии.
2. Отделение твердой фазы (троны) из исходной суспензии при 100ºС и карбонизация маточного раствора до образования бикарбонатной суспензии.
3. Охлаждение исходной суспензии без отделения твердой фазы до 25ºС и карбонизация.
4. Охлаждение до 25ºС маточного раствора, полученного при фильтрации исходной суспензии при 100ºС, и карбонизация.
5. Охлаждение исходной суспензии до 25ºС отделение твердой фазы, карбонизация фильтрата.
6. Охлаждение маточного раствора до 25ºС, отделение твердой фазы и карбонизация фильтрата.

Применение методов 1, 3, 5 получения бикарбоната натрия нежелательно, поскольку все нерастворимые примеси, имеющиеся в исходном сырье, полностью переходят в бикарбонат натрия.

Выбираем оптимальный вариант из методов 2, 4 и 6.

Из таблицы 2 видно, что при добавке 5%-ного сырого бикарбоната при 80ºС образуется ненасыщенный раствор и при фильтрации отделяются только нерастворимые части. С увеличением концентрации содового раствора от 18 до 26% при 40%-ной карбонизации долевой выход бикарбоната натрия из 100 г карбонизированной суспензии увеличивается от 0,04 (4,0%) до 0,123 (12,3%). В этих условиях по четвертому методу выход бикарбоната натрия увеличивается от 0,110 (11,0%) до 0,217 (21,7%). Однако содержание карбоната натрия в полученном продукте (БКН) больше, чем во втором варианте. Это связано с тем, что при 35ºС образуется меньше бикарбонатных кристаллов и влажность бикарбоната больше чем 17-20%, и также соотношение Na₂CO₃:NaHCO₃ в жидкой фазе увеличивается от 1,851 до 2,583.

Таблица 2.

Сравнение методов получения бикарбоната натрия из содовых растворовразличной концентрации при добавке 5% сырого бикарбоната натрия

Таблица 3.

Сравнение методов получения бикарбоната натрия из содовых растворов различной концентрации при добавке 10% сырого бикарбоната натрия

Сравнение методов получения бикарбоната натрия из содовых растворов с различной концентрацией при добавке 10% сырого бикарбоната натрия показывает, что по шестому методу наблюдается такая же тенденция, как и в четвертом методе, но количество твердой фазы было меньше, так как перед карбонизацией маточного раствора отделяется твердая фаза – трона, количество которой увеличивается от 0,035 (3,5%) до 0,08 (8,0%).

Из таблицы 3 видно, что добавка 10% сырого бикарбоната натрия и применение 18-20%-ного содового раствора при 100ºС образуется ненасыщенный раствор, а с увеличением концентрации содового раствора от 22 до 26% он становится насыщенным относительно троны, содержание которой увеличивается от 0,030 (3,0%) до 0,089 г (8,9%).

После фильтрации этой суспензии при применении содового раствора концентрацией 18-20% отделяется нерастворимый остаток, содержащийся в исходном сырье, а также осадок троны при применении содового раствора с концентрацией 20-26%. По второму методу выделенный фильтрат при этой же температуре (100ºС), карбонизируется до степени 40,3%.

Как показывают данные (таблица 3), в осадок выпадает бикарбонат натрия и с увеличением концентрации содового раствора до 18-20% увеличивается количество осадка от 0,099 (9,9%) до 0,118 (11,8%). Дальнейшее повышение концентрации содового раствора до 22% приводит к уменьшению осадка до 0,110.

Повышение концентрации раствора свыше 22% не влияет на выход бикарбоната натрия (БКН), который остается постоянным. По четвертому методу после карбонизации количество твердой фазы изменяется как во втором методе, т.е.в 1,3-1,5 раза больше. Однако содержание карбоната натрия больше, чем количество БКН в продукте по второму методу.

По шестому методу с повышением концентрации содового раствора от 18 до 22% количество выделенной твердой фазы после охлаждения первого фильтрата увеличивается от 0,092 (9,2%) до 0,159 (15,9%), а увеличение концентрации до 24% приводит к уменьшению твердой фазы до 0,118 (11,8%), и дальнейшее повышение концентрации свыше 24% не влияет на показатель последнего. Необходимо отметить, что при охлаждении в интервале концентрации 18-22% в твердую фазу выпадает смесь троны и БКН, а при концентрации более>22% выпадает только трона. На выход бикарбоната натрия при 40%-ной карбонизации маточного раствора изменение концентрации в интервалах 18-22 и более >24% практически не влияет и составляет 0,098 (9,8%), а при 24% она достигает 0,122 (12,2%).

Таким образом, для получения чистого бикарбоната натрия выбираем второй метод с параметрами: температура - 100ºС, концентрация содового раствора - 19-20%, добавка сырого бикарбоната натрия - 10%. Для получения одновременно троны и бикарбоната натрия выбираем также второй метод с другими технологическими показателями: температура-100ºС; концентрация содового раствора - 22-24%; добавка сырого бикарбоната натрия - 10%.

Необходимо отметить, что с повышением концентрации содового раствора более 24% процесс можно проводить только для получения троны. При карбонизации оставшегося фильтрата бикарбонат натрия образуется не сразу, то есть сначала образуются трона, смесь троны с бикарбонатом натрия и бикарбонат натрия. Ввиду этого в продуктах бикарбонат натрия имеются сокристаллизованные кристаллы троны и карбоната натрия.

Список литературы:

1. Зайцев И.Д., Стоев Н.Д. Производство соды. – М.: Химия, 1986. -312 с.
2. Здановский А.Б. и др. Справочник по растворимости много-компонентных водно-солевых систем. Том 2 . Четырехкомпонентные и более сложные системы. -Ленинград. - 1954. - 1273 с.
3. Коган В.Б., Огородников С.К., Кафаров В.В. Справочник по растворимости. Том 3. Книга вторая. -Ленинград. - 1969. - 1170 с.
4. Эркаев А.У., Каипбергенов А.Т., Кучаров Б.Х., Тоиров З.К. Теоретический анализ получения сесквикарбоната натрия исследованием четырехкомпонентной системы Na₂CO₃-NaHCO₃-NaCl-H₂O. // Узбекский химический журнал. Ташкент. - 2015 г. №5. -  С.13-16.
5. Эркаев А.У., Каипбергенов А.Т., Кучаров Б.Х., Тоиров З.К. Исследование процесса получения сесквикарбоната натрия жидкофазным способом // Журнал «Химия и химическая технология».  (Ташкент). -  2015.- С.6-9.
6. Эркаев А.У., Каипбергенов А.Т., Кучаров Б.Х., Тоиров З.К. Исследование процесса получения сесквикарбоната натрия путем карбонизации содового раствора углекислым газом // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн. - 2015. № 9-10 (17) http://7universum.com/ru/nature/archive/item/2617.