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

Research of the process of obtaining purified sodium bicarbonate from uterine solution formed by obtaining sodium sesquicarbonate
Цитировать:
Исследование процесса получения очищенного бикарбоната натрия из маточного раствора образующихся при получении сесквикарбоната натрия // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Эркаева Н.А. [и др.]. 2020. № 10(76). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/10751 (дата обращения: 06.12.2020).
Прочитать статью:

 

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).

Рисунок 1. Теоретический анализ системы Na2CO3-NaHCO3-H2при 25ºС.

Рисунок 2. Теоретический анализ системы Na2CO3-NaHCO3-H2при 100ºС.

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

Состав жидкой фазы, %

Твердая фаза

Na2CO3

NaHCO3

H2O

22,63

0

77,37

Na2CO3·H2O

22,25

1,14

76,61

Na2CO3·H2O+ Na2CO3·NaHCO3·2H2O

17,82

4,24

77,94

Na2CO3·NaHCO3·2H2O +NaHCO3

0

9,2

90,8

NaHCO3

 

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

Метод

Состав и коли-чество твердой фазы, до карбо-низации,%-наядоля,от единицы

Степень карбонизации,%

Состав и коли-чество твердой фазы, после кар-бонизации,%-наядоля,от единицы

Примечание

Концентрация содового раствора-18%

2

-

25,49

40,3

-

0,040

-

БКН

4

-

9,8

40,3

0,036

0,110

БКН

БКН

6

0,035 Трона

2,9

40,3

0,012

0,105

     БКН

БКН

Концентрация содового раствора-22%

2

-

14,52

40,30

-

0,079

-

БКН

4

-

33,33

40,30

0,127

0,145

БКН

БКН

6

0,066 Трона

21,05

40,30

0,017

0,104

БКН

БКН

Концентрация содового раствора-26%

2

-

34,62

40,3

0,103

0,123

БКН

БКН

4

-

50,65

0,217

БКН

6

0,208 Трона

38,03

40,3

0,127

0,129

БКН

БКН

 

Таблица 3.

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

Метод

Состав и коли-чество твердой фазыдо карбо-низации.

Степень карбонизации,%

Состав и коли-чество твердой фазыпосле кар-бонизации

Примечание

Концентрация содового раствора18%

2

-

1,96

40,3

-

0,099

-

БКН

4

-

11,76

40,3

0,091

0,159

БКН

БКН

6

0,092

Трона+БКН

0,0

40,3

-

0,098

-

БКН

Концентрация содового раствора-20%

2

-

3,57

40,3

-

0,118

-

БКН

4

-

28,07

40,3

0,139

0,176

БКН

БКН

 

0,137

Трона + БКН

0,0

40,3

-

0,098

-

БКН

Концентрация содового раствора-22%

2

0,030Трона

4,38

40,3

-

0,110

-

БКН

4

-

28,07

40,3

0,139

0,170

БКН

БКН

6

0,159

Трона + БКН

0,0

40,3

0,098

БКН

Концентрация содового раствора-24%

2

0,060 Трона

16,67

40,30

0,045

0,111

БКН

БКН

4

-

37,5

40,3

0,163

0,176

БКН

БКН

6

0,118Трона

14,3

40,3

0,042

0,122

БКН

БКН

Концентрация содового раствора- 26%

2

0,089 Трона

23,88

40,3

0,045

0,110

БКН

БКН

4

-

40,3

0,176

БКН

6

0,118 Трона

16,07

40,3

0,042

0,098

БКН

БКН

Концентрация содового раствора- 30%

2

0,132

33,33

40,3

0,090

0,116

БКН

БКН

Концентрация содового раствора- 33,44%

2

0,167

44,7

0,147

БКН

 

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.
Информация об авторах

ст. преп. Ташкентского химико-технологического института, Республика Узбекистан, г. Ташкент

Senior Lecturer, Tashkent Institute of Chemical Technology, Republic of Uzbekistan, Tashkent

ООО «Кунградский содовый завод», Республика Узбекистан, г. Кунград, поселок Елабад

LLC "Kungrad Soda Plant", Republic of Uzbekistan, Kungrad, Yelabad settlement

д-р. техн. наук, заведующий кафедры НГПИ, Узбекистан, г. Нукус

doctor of engineering sciences, Head of the Department, NGPI, Republic of Uzbekistan, Nukus

д-р техн. наук, профессор Ташкентского химико-технологического института, 100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32

Doctor of Engineering Sciences, Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32

канд. техн. наук, доцент Ташкентского химико-технологического института, 100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, ул. Навои, 32

Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology, 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, st. Navoi, 32

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top