Węglan sodu
Ogólne informacje
Inne nazwy	soda kalcynowana
Wzór sumaryczny	Na2CO3
Masa molowa	105,977 g / mol
Wygląd	biały
Identyfikacja
Numer CAS	497-19-8
PubChem	10340[1]
Właściwości Gęstość i stan skupienia 2,53 g/cm3 ; ciało stałe Rozpuszczalność w wodzie 220 g / dm3 Temperatura topnienia 854 °C Zasadowość (pKb) 3,67
Niebezpieczeństwa
Zagrożenia
Drażniący Drażniący (Xi)
Zwroty ryzyka	36
Zwroty bezpieczeństwa	2, 22, 26
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków standardowych (25 °C, 1000 hPa)

Węglan sodu (nazwy zwyczajowe: soda, soda kalcynowana Na ₂ C O ₃) nieorganiczny związek chemiczny , sól kwasu węglowego i sodu.

W temperaturze pokojowej jest to biała, higroskopijna substancja, która topi się w temperaturze 852°C i dobrze rozpuszcza się w wodzie. Z roztworu krystalizuje w postaci dużych bezbarwnych kryształów, wietrzejących na powietrzu.

W przyrodzie związek ten występuje w stanie naturalnym tzw. jeziorach sodowych oraz w popiele roślin morskich. Stanowi też ważny składnik wielu minerałów .

Stosuje się go do wyrobu szkła oraz papieru . Wykorzystuje się go również w produkcji mydła i środków piorących. Jest stosowany do zmiękczania wody.

Otrzymywanie

Dawniej węglan sodu otrzymywano metodą Leblanca, działając na sól kamienną kwasem siarkowym , otrzymując siarczan sodu , który następnie prażono z węglem i kamieniem wapiennym . Otrzymywany roztwór ługowano wodą otrzymując roztwór sody.

2NaCl + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + 2HCl

Na₂SO₄ + 2C + CaCO₃ → Na₂CO₃ + CaS + 2CO₂

Ze względu jednak na zbyt duże zużycie energii, proces ten został zastąpiony metodą Solvaya , gdzie surowcami głównymi są węglan wapnia, sól kamienna.

• dekarboksylacja kwasów lub soli kwasów:

H₃C-COONa + NaOH → CH₄ + Na₂CO₃

Metoda Solvaya

Wytwarzanie węglanu sodu metodą Solvaya

Metoda Solvaya otrzymywania węglanu sodu polega na wykorzystaniu następujących reakcji:

1. CaCO₃ → CaO + CO₂
2. 2NaCl + 2NH₃ + 2CO₂ + 2H₂O → 2NaHCO₃ + 2NH₄Cl
3. 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O - ( kalcynacja )
4. 2NH₄Cl + CaO → 2NH₃ + H₂O + CaCl₂

co sumarycznie daje:

CaCO₃ + 2NaCl → Na₂CO₃ + CaCl₂

Z reakcji sumarycznej wynika, że surowcami są węglan wapnia i sól kamienna (chlorek sodu), amoniak jest surowcem pomocniczym, koks używany jako paliwo do wypalania wapna palonego z wapienia . Natomiast w procesie Leblanca surowcem głównym jest węgiel .

Proces wytwarzania sody amoniakalnej składa się z następujących głównych procesów i operacji:

• przygotowanie roztworów soli
• nasycanie solanki amoniakiem w celu otrzymania solanki amoniakalnej
• wypalanie wapna z kamienia wapiennego z jednoczesnym wytworzeniem gazów zawierających CO2
• nasycanie solanki amoniakalnej CO₂ ( karbonizacja )
• oddzielenie kryształów NaHCO₃ od ługu macierzystego
• suszenie wilgotnego NaHCO₃ i jego rozkład termiczny (kalcynacja)
• regeneracja NH₃ z ługów macierzystych przez zmieszanie z mlekiem wapiennym i ogrzewanie .

Przygotowanie solanki

Stosuje się solanki naturalne, które dosyca się solą w razie potrzeby. Najczęściej używa się solanek wytworzonych przez ługowanie wodą pokładów soli. Solanki takie mają zanieczyszczenia w postaci soli Mg , Ca , K , itp. Aby oddzielić zanieczyszczenia solankę poddaje się procesowi analogicznemu do chemicznej metody zmiękczania wody. Strącające się osady CaCO₃ i Mg(OH)₂ oddziela się w odstojnikach .

Nasycenie solanki amoniakiem

NH₃ bardzo dobrze rozpuszcza się w solance ze znacznym efektem cieplnym . W miarę wzrostu stężenia amoniaku wzrasta objętość solanki. Ponieważ rozpuszczalność soli w wodzie amoniakalnej maleje, to aby nie dopuścić do wytrącenia kryształów stosuje się solankę nie całkowicie wysyconą (około 310 g NaCl na 1 l ). Do nasycania solanki NH₃ stosuje się wysokie wieże absorpcyjne wypełnione koksem lub kolumny półkowe.

Wypalanie wapna

Wapno palone otrzymuje się w taki sam sposób jak przy produkcji materiałów wiążących.

Wysycanie solanki amoniakalnej za pomocą CO₂ (karbonizacja)

Solanka amoniakalna zawierająca pewną ilość CO₂ w stanie związanym jest nasycana CO₂ w kolumnach karbonizacyjnych w przeciwprądzie. Kolumny karbonizacyjne mają budowę półkową. W dolnej części półki przedzielone są chłodnicami rurkowymi. Średnica kolumny 1,8-2,8 metra a wysokość do 30 metrów. Z powodu osadzania się kryształów NaHCO₃ po kilkudziesięciu godzinach pracy kolumna karbonizacyjna zarasta i trzeba przerywać jej pracę aby ją oczyścić. Z tego powodu kolumny karbonizacyjne łączy się w baterie 4-7 sztuk i kolejno poddaje płukaniu polegającym na przepuszczaniu przez nie całej ilości solanki, którą następnie kieruje się do pozostałych kolumn.

Jednocześnie dla polepszenia efektu płukania wprowadza się do kolumny pewną ilość gazu z pieców wapiennych, dzięki czemu w kolumnie płukanej następuje wstępna karbonizacja solanki. Gazy zawierające CO₂ pochodzą z dwóch źródeł: z wypalania wapna około 40% i rozkładu NaHCO₃ 60%. Gazy uboższe w CO₂ wprowadza się w połowie wysokości kolumny, a gazy bardziej stężone wprowadza się od dołu kolumny. Ciśnienie słupa cieczy u dołu kolumny wynosi 0,3 M Pa , wpływa to korzystnie na proces karbonizacji.

Oddzielanie kryształów NaHCO₃ od ługu macierzystego

Z kolumn karbonizacyjnych wypływa zawiesina kryształów NaHCO₃ w ługu macierzystym (tzw. mleczko bikarbonatowe). Oddzielenie kryształów od cieczy odbywa się za pomocą filtracji na filtrach obrotowych lub przez odwirowanie w wirówkach o działaniu ciągłym.

Kalcynowanie NaHCO₃

Aby otrzymać sodę bezwodną osad NaHCO₃ należy osuszyć a następnie poddać termicznemu rozkładowi

2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + CO₂ + H₂O

Proces suszenia i kalcynacji prowadzi się metodą ciągłą w obrotowych suszarniach bębnowych, suszarnia ogrzewana jest parą wodną lub rzadziej spalinami. Bęben stalowy o średnicy 2,5 m i długości do 25 m. Ponieważ gazy pokalcynacyjne zawracane są do procesu produkcyjnego to ogrzewanie suszarki (kalcynatora) odbywa się przeponowo. Wilgotny NaHCO₃ ma tendencję do przywierania do rur grzewczych, aby zapobiec temu zjawisku obniża się jego wilgotność, zawracając część wysuszonego produktu i mieszając go z wilgotnym NaHCO₃ przed wejściem do kalcynatora.

Regeneracja amoniaku

W ługach macierzystych po karbonizacji NH₃ znajduje się w postaci następujących związków:

• NH₃ (aq)
• (NH₄)₂CO₃ i NH₄HCO₃
• NH₄Cl

Związki te różnią się trwałością. Z amoniakalnego roztworu (NH₄)₂CO₃ i NH₄HCO₃ amoniak można odzyskać przez ogrzewanie roztworu do temperatury około 70°C, NH₄Cl rozkłada się pod działaniem Ca(OH)₂. Obie te operacje prowadzi się w instalacji do regeneracji amoniaku. Instalacja ta składa się z aparatów do sporządzania mleka wapiennego, wymienników ciepła, kolumn odpędowych.

Ług macierzysty razem z popłuczynami z filtrów ogrzewa się do temperatury około 65°C i wprowadza do górnej części kolumny odpędowej. W tym momencie następuje odpędzenie amoniaku z lotnych związków amonowych. Następnie gorącą ciecz miesza się z mlekiem wapiennym w osobnym mieszalniku i wprowadza do dolnej części kolumny odpędowej a odprowadza się roztwór odpadkowy. Gazy zawierające NH₃ i CO₂ po ochłodzeniu kieruje się do absorpcji w solance. W ten sposób zamyka się obieg amoniaku. Straty amoniaku pokrywa się przez wprowadzenie stężonej wody amoniakalnej do kolumny odpędowej.

Wykorzystywanie odpadów stałych i ścieków z produkcji sody amoniakalnej

Gorąca ciecz odpływająca z kolumn odpędowych kierowana jest do wielkich osadników ziemnych, w których następuje osadzanie się zawiesin, a klarowny roztwór soli odprowadza się do zbiorników wodnych. Ciecz z kolumn odpędowych ma następujący skład (kg\m³):

• NaCl - 56
• CaCl₂ - 112
• Ca(OH)₂, CaCO₃, CaSO₄, SiO₂ - 21

Do osadników ziemnych kieruje się osady z oczyszczania solanki i osad CaCO₃ z kaustyfikacji sody i ewentualnie inne odpady. Osadniki te noszą nazwę "białych mórz". Białe morza stanowią poważny problem ekologiczny. Dlatego też podjęto próby utylizacji osadów z osadników. Przerabia się je na wapno nawozowe lub stosuje się jako surowiec w przemyśle cementowym. Na 1 T sody amoniakalnej zużywa się:

• NaCl (w postaci solanki) 1525-1555 kg
• CaCO₃ (w postaci wapniaka) 1206-1370 kg

oraz jako materiały pomocnicze:

• koks do wypalania wapna 98-105 kg
• węgiel do kalcynacji NaHCO₃ 120-140 kg
• woda amoniakalna 4-8 kg

Przypisy