ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА КАРБОНИЗАЦИИ КАЛЬЦИНИРОВАННОЙ СОДЫ НА СКОРОСТЬ ФИЛЬТРАЦИИ И НА ВЫХОД ПРОДУКТА

АННОТАЦИЯ

В статье представлены экспериментальные результаты получения сесквикарбоната натрия. Приведены данные о влиянии на выход продукта таких технологических параметров, как содержание диоксида углерода в газовой фазе, продолжительность процесса, температура и давление при карбонизации, температура фильтрации, которые так же влияют на скорость фильтрации по твердой и жидкой фазам.

ABSTRACT

The article presents the results of experiments in obtaining the sodium sesquicarbonate. Data are given on the effect on the product yield of such technological parameters as the content of carbon dioxide in the gas phase, duration, temperature and pressure during carbonization, filtration temperature, which also affect the filtration rate in the solid and liquid phases.

Ключевые слова: трона, сесквикарбонат натрия, кальцинированная сода, карбонат натрия, экспанзерный газ, диоксид углерода, адсорбция, рентгенографические исследования.

Keywords: trona, sodium sesquicarbonate, soda ash, sodium carbonate, expander gas, carbon dioxide, adsorption, radiographic studies.

Введение

Сесквикарбонат натрия (Na₂CO₃ · NaHCO₃ · 2H₂O) – это соль угольной кислоты, которая представляет собой синтетическую версию природного минерала - троны. Трона применяется в моющих средствах, которые не содержат фосфатов и являются безопасными как для человеческого здоровья, так и для окружающей среды. Она так же встречается в составе косметических средств, так как имеет полезные дерматологические и антисептические свойства [1, 2].  Большие запасы сесквикарбоната натрия в виде природного минерала расположены в России и США. Но отделение из него троны является трудной и энергозатратной задачей, поэтому на сегодняшний день актуальной проблемой является получение синтетического сесквикарбоната натрия. Известны методы синтеза сесквикарбоната натрия путем смешения твердого карбоната натрия и водного раствора гидрокарбоната натрия [3]. Но недостаток данного метода в том, что кроме сесквикарбоната натрия, в продуктах синтеза так же содержатся моногидрат карбоната натрия и гидрокарбонат натрия, что уменьшает процентное содержание целевого вещества. Существует так же метод получения продукта политермической кристаллизацией из насыщенного раствора, который содержит 96–98 % сесквикарбоната натрия [4]. Важно отметить, что сведения о методах получения данного соединения, необходимого для ряда технических целей, и, в частности для производства товаров бытовой химии, весьма ограничены.

Цель исследования

Цель исследования заключается в определении оптимальных технологических параметров получения сесквикарбоната натрия газофазным методом для дальнейшего его использования в получении экологически чистых бесфосфатных синтетических моющих средств с высокой моющей способностью и хорошими товарными свойствами.

Материалы и методы

25%-ный раствор карбоната натрия подвергли карбонизации экспанзерным газом, содержащим 50,0% и 71,4% СО₂. Продолжительность карбонизации раствора составила 45, 60 минут при температуре 80°С и под давлением 1 атм. Далее суспензию фильтровали. Процессы фильтрования проводились при температурах 45-50 и 65-70°С. Наряду с другими факторами на скорость фильтрации и количество твердой фазы влияет так же температура фильтрования. Выход продукта определяется химическим и весовым методами.

Результаты и их обсуждение

Содержание троны в продукте синтеза при адсорбции диоксида углерода раст­вором карбоната натрия зависит от содержания диоксида углерода в экспанзерном газе, длительности и температуры процесса адсорбции, а так же от температуры последующей фильтрации.

В таблице 1 представлена зависимость вышеуказанных факторов на такие показатели, как выход продукта, скорость фильтрации и соотношение Ж:Т. Процесс карбонизации проводился при температуре 80⁰С и давлении 1 атм.

Согласно таблице 1, при карбонизации при температуре 80⁰С, с концентрацией диоксида углерода в экспанзерном газе 50%, при температуре фильтрации 45-50⁰С с повышением длительности адсорбции от 45 мин до 60 мин выделение твердой фазы увеличивается от 34,52% до 37,17% соответственно. Соотношение Ж:Т при данных технологических параметрах снижается от 1,82:1 до 1,63:1, как и снижается значение скорости фильтрации.

При продолжительности карбонизации 45 мин, с повышением температуры фильтрования раствора до 65-70⁰С, выделение твердой фазы уменьшается до 16,01%, при повышении продолжительности карбонизации до 60 мин, значение последнего увеличивается до 36,73%.

При проведении адсорбции при той же температуре и давлении, но повышении концентрации диоксида углерода до 71,4%, так же с увеличением продолжительности адсорбции от 45 до 60 минут при температуре фильтрования 45-50⁰С, выделение твердой фазы остается практически неизменным, но при длительности адсорбции 45 минут, с повышением температуры фильтрования от 45-50⁰С до 65-70⁰С это значение резко снижается до 21,01% и достигает максимума (45,11%) при повышении длительности адсорбции до 60 минут.

Таблица 1.

Влияние технологических параметров карбонизации раствора Na₂CO₃ на выходные аналитические показатели процесса

Согласно указанной выше таблице 1, соотношение Ж:Т при обоих значениях концентрации газа достигает наибольших значений при длительности адсорбции 45 минут и температуре фильтрования 65-70⁰С и составляют 5,38:1 при концентрации диоксида углерода в газе 50% и 3,67:1 при концентрации 71,4%. В остальных случаях значение Ж:Т колеблется в пределах 1,82:1 - 1,17:1.

В таблице 2 приведены результаты рентгенографических исследований. Из данной таблицы видно, что при проведении процесса адсорбции при температуре 80⁰С, с концентрацией диоксида углерода в газе 50%, при температуре фильтрации 45-50⁰С с повышением длительности адсорбции от 45 мин до 60 мин выделение твердой фазы практически не изменяется по содержанию.

Согласно таблице 2, при тех же технологических параметрах, но при повышении температуры фильтрации раствора после карбонизации до 65-70⁰С, при длительности адсорбции 45 мин твердая фаза составляет 16%, но содержание троны достигает 100% (табл 2), и наоборот, при повышении длительности адсорбции до 60 мин, несмотря на то, что выход твердой фазы увеличивается до 36,71%, но содержание троны уменьшается до 75%.

Таблица 2.

Результаты рентгенографических анализов на содержание троны

Важно отметить, что при проведении адсорбции при той же температуре и давлении, но повышении концентрации диоксида углерода до 71,4%, так же с повышением длительности адсорбции от 45 до 60 минут при температуре фильтрования 45-50⁰С, выделение твердой фазы повышается незначительно, но содержание троны резко повышается от 45% до 85%, при тех же технологических параметрах, но при температуре фильтрования 65-70⁰С этот показатель повышается от 21,01% до 45,11% по выделению твердой фазы (таб.1) и от 53% до 80% по содержанию троны (таб.2) соответственно.

На рисунке 1 приведены результаты рентгенографических исследований полученного продукта. Здесь, синим цветом показано содержание сесквикарбоната натрия (Na₂CO₃ * NaHCO₃ * 2H₂O), а зеленым цветом показано содержание гидрокарбоната натрия (Na₂HCO₃).

Рисунок 1. Результаты рентгенографических исследований образцов, содержащих наибольшее количество сесквикарбоната натрия в продуктах синтеза (образцы 1, 3, 6, 8 по табл. 2)

В рисунках приведены результаты рентгенографических исследований проб 1, 3, 6, 8 по таблице 2. Содержание сесквикарбоната натрия в пробе 1 составляет 77%, а 23% составляет содержание гидрокарбоната натрия. В пробе 3 содержание сесквикарбоната натрия составляет 100%.  В пробе 6 – 85% составляет содержание сесквикарбоната натрия и 15% гидрокарбоната натрия, и в пробе 8 – 80% составляет содержание сесквикарбоната натрия и 20% гидрокарбоната натрия.

И только пробы 5 и 7 помимо сесквикарбоната натрия и гидрокарбоната натрия содержат 12% и 10% моногидрата карбоната натрия (Na₂CO₃ * H₂O).

Выводы

Проведенные экспериментальные исследования показали, что при использовании экспанзерного газа с содержанием 50% СО₂ и при условиях: температура карбонизации 80⁰С, давление 1атм, продолжительность карбонизации 45 мин, температура фильтрации 45-50⁰С, образуется осадок с содержанием троны 100%. А при применении экспанзерного газа с содержанием 71,4% СО₂ образуется трона, состоящая из 80-85% основного компонента при карбонизации 60 мин.

Список литературы:

1. Энергоэкономная технология получения высококачественного кристаллизационного сесквикарбоната натрия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://niochim.kharkov.ua/ru/ innovations.html#2. – Дата доступа: 17.08.2010.
2. Порошок на троне [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ecostar.com.ua/ index.php option=com content&view=article&id= 54:2010-07-05-21-47-38&catid=30:the community& Itemid=2. – Дата доступа: 17.08.2010.
3. Method of producing non-phosphate detergents based on powdered sodium sesquicarbonate: EP 1690923 Ukraine, C 11 D 3/10, C 11 D 11/04 / O. Kachur, W. Lemeshko; BRANDPAT Kancelaria Patentowa; заявл. 15.02.2005; опубл. 16.08.2006 // Bulletin 2006/33 / European Patent Office. – 2006. – № 12/82.
4. Torgeson, D. R. Heats of formation and decomposition of trona / D. R. Torgeson // J. of Industrial and Engineering Chemistry. – 1948. – Vol. 40, № 6. – P. 1152–1153.
5. Шарипова Х.Т., Эркаева Н.А., Вохобова Д.Н., Бахридинова Д.Ж., Шералиев С.А., Бегдуллаев А.К., Каипбергенов А.Т.  Определение оптимальных параметров процесса карбонизации кальцинированной соды при получении троны // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн. – Москва, июнь, 2021. - №6 (84).
6. Эркаев А.У., Каипбергенов А.Т., Кучаров Б.Х., Тоиров З.К. Разработка технологии получения сесквикарбоната натрия газо-жидкостным способом // Universum: Технические науки: электрон. научн. журн. – Москва, 2015. - №8-9 (20). Код доступа: http://universum.com/ru/tech/archive/item/2589.
7. Эркаев А.У., Каипбергенов А.Т., Кучаров Б.Х., Тоиров З.К. Исследование процесса получения сесквикарбоната натрия жидкофазным способом // Химия и химическая технология. Ташкент. – 2015. - №3. - С.6-9.
8. Эркаев А.У., Каипбергенов А.Т., Рамбергенов А., Оспанова С.С., Тоиров З., Бурашов Н. Исследование процесса получения сесквикарбоната натрия // Актуальные проблемы инновационных технологий химической, нефтегазовой и пищевой промышленности: Респ. науч. -техн. конф. – Ташкент-Кунград. 2010. С. 132-133.
9. Руководство к практическим занятиям по технологии неорганических веществ. / Под ред. Позина М.Е. -Л.: Химия, 1980.-368с.
10. Пламенная фотометрия: методические указания к лабораторной работе. – Самара: СГТУ. -2013.-13с.
11. 11.Otsuka M. and Kinoshita H. Determination of Hydrate Content of Theofylline Powder by Chemometric X-ray Powder Diffraction Analysis. // AAPS Pharm Sci. Tech. -2010 March; 11(1):P. 204-211.
12. Ann Newman, Ph.D. X-ray Powder Diffraction in Solid Form Screening and Selection. September 1, 2011.-P. 86-91.