12.1. Загальна характеристика содових продуктів

Під загальною назвою сода у промисловості виробляється кілька подібних за властивостями мінеральних речовин: Na₂СОз (кальцинована сода), десятиводна сода (кристалічна сода), одноводна і семиводна сода, NaHCO₃ (очищена, або харчова сода) та NaOH (каустична сода). Найбільше виробляють і застосовують кальциновану соду, яка є найважливішим продуктом хімічного виробництва і вихідною сировиною для багатьох виробництв: добування харчової і каустичної соди, миловаріння, виробництва скла, у нафтовій, текстильній, целюлозно-папе­ро­вій промисловості, чорній і кольоровій металургії, при виробництві шкір, у побуті та ін. Очищену соду використовують у харчовій, кондитерській та фармацевтичній промисловості, кристалічну соду застосовують у фотосправі та побуті.

Властивості кальцинованої соди. Чистий Na₂СОз – це білий кристалічний порошок з густиною 2,53 г/см³ насипною масою 0,5‑0,55 т/м³ і температурою плавлення 854 °С. З насичених водних розчинів кристалізується при температурі нижче 32,5 °С десятиводний кристалогідрат, в інтервалі 32,5‑36 °С – семиводний кристалогідрат, вище 36 °С – моногідрат. Кальцинована сода при розчиненні у воді виділяє 23,6 кДж/моль теплоти. Водні розчини її мають лужну реакцію. Як кальцинована, так і каустична сода добре розчиняють жири і мастила. Щоб зменшити високу дисперсність і злежуваність при транспортуванні і використанні кальцинованої соди, її переробляють у так звану "важку соду" з насипною масою 0,85 т/м³. Для цього кальциновану соду змочують водою або содовим розчином і прожарюють при 105‑120 °С у киплячому шарі.

12.2. Фізико-хімічні основи виробництва кальцинованої соди

Соду синтетичним способом, запропонованим у Франції Лебланом, почали виробляти ще у 1791 р. За цим способом суміш Na₂SO₄, вапняку і вугілля спікали у печах при 950‑1000 °С, внаслідок чого утворювалась сода за реакцією

Na₂SO₄ + СаСО₃ + 2С = Na₂CO₃ + CaS + 2СО₂.

Натрію карбонат вилуговували водою, розчин фільтрували і фільтрат випаровували до випадання Na₂СО₃ або моногідрату карбонату натрію, який зневоднювали і подрібнювали. Утворений продукт був недостатньої чистоти, спосіб потребував значних витрат палива та у процесі виробництва утворювалась велика кількість НСl, який раніше не знаходив застосування:

2NaCl + H₂SO₄= Na₂SO₄ + 2НCl .

У наш час спосіб Леблана може бути вигідним, якщо замість синтетичного використовувати природний Na₂SO₄, поклади якого в Україні досить великі.

Наприкінці ХІХ ст. бельгійський інженер Е. Сольве запропонував амоніачний спосіб виробництва соди. Цей спосіб економічніший і простіший. Суть його полягає у послідовній обробці насиченого розчину NaCl амоніаком і вуглекислим газом, внаслідок чого утворюється малорозчинний NaHCO₃:

NaCl + NH₃ + СО₂ + Н₂О = NaHCO₃ + NH₄C1. (12.1)

Внаслідок прожарювання (кальцинації) NaHCO₃ при 140‑170 °С утворюється Na₂CO₃ (кальцинована сода):

2NaHCO₃ Na₂CO₃ + Н₂О + СО₂.

Фізико-хімічні основи карбонізації амоніачно-соляного розчину відбивають складність процесу виробництва соди, тому цей спосіб виробництва тривалий час не був науково обґрунтованим. Основною стадією содового виробництва є карбонізація амонізованого розчину NaCl. Утворення NaHCO₃ відбувається внаслідок складних хімічних процесів. При цьому відбуваються йонні реакції між розчиненими речовинами NaCl, NH₄Cl, NH₄HCO₃, (NH₄)₂CO₃ i NaHCO₃, що перебувають у динамічній рівновазі з недисоційованими молекулами твердої фази NaHCO₃ і газом. Кількість NaHCO₃ в осаді і розчині еквівалентна кількості NH₄C1 у розчині.

Сумарна реакція (12.1) має кілька стадій, які відбуваються при послідовному насиченні розчину NaCl амоніаком (при амонізації) і вуглекислим газом (при карбонізації). У верхній частині колони утворюється (NH₄)₂CO₃:

2NH₃ + СО₂ + Н₂О = (NH₄)₂CO₃,

який з надлишком СО₂ утворює NH₄HCO₃:

(NH₄)₂CO₃ + СО₂ + Н₂О = 2NH₄HCO₃.

Внаслідок збільшення концентрації йонів , приблизно з середини колони починається реакція обмінного розкладання з утворенням NaHCO₃:

NH₄HCO₃ + NaCl = NaHCO₃ + NH₄Cl.

Утворюються зародки кристалічної фази NaHCO₃.

Амонізацію розчину здійснюють для введення у нього СО₂, який не розчиняється у насиченому NaCl, але добре взаємодіє з NH₃ (хемосорбція).

Ступінь утворення NaHCO₃ згідно з законом діючих мас тим більший, чим більше співвідношення між кількістю NH₃ у розчині і NaCl і чим більша концентрація NaCl у розчині. Чим ближче ступінь насичення амоніачно-соляного розчину СО₂ до стехіометричного співвідношення СО₂ і NH₃ у молекулі NH₄HCO₃, тим більше NaHCO₃ випадає в осад. Для кращого добору кількості вихідних речовин і забезпечення оптимального виходу NaHCO₃, треба знати сумісну розчинність солей у багатокомпонентній системі. Знаючи концентрації кінцевих розчинів після насичення їх СО₂, можна визначити коефіцієнти використання вихідних компонентів NaCl і NH₃, а також вихідні концентрації цих компонентів, що зумовлює концентрацію кінцевих розчинів. Коефіцієнти використання Na і NH₃ визначають за такими формулами:

,

де: [Сl^–], [Na⁺], [ ] і [ ] – концентрації йонів у маточному розчині над осадом NaHCO₃. При 15 °С максимально можна досягти: – 78,8 %, a – 85,1 %. У табл. 12.1 наведено коефіцієнти використання NH₃ і Na для різних температур і різної концентрації солей.

У точці І – розчин, насичений NaHCO₃, NH₄C1 і NH₄HCO₃, а у точці II –NaHCO₃, NH₄C1 і NaCl. Як видно з табл. 12.1, при підвищенні температури збільшується, а при цьому змінюється мало.

Табл. 12.1 Залежність коефіцієнтів використання Na і NH₃ від температури для розчинів, насичених трьома солями

Температура, °С			t, °С
Точка І			Точка II
0	73,6	88,0	0	34,6	95,6
15	78,8	85,1	15	43,4	95,1
30	83,4	84,6	30	50,8	94,1

Найбільший вихід NaHCO₃ (84 %) спостерігається в інтервалі 30‑32 °С. Це фактично та межа, до якої можна підвищувати температуру у цьому процесі. У виробничих умовах ступінь використання Na у процесі карбонізації не досягає теоретично можливого і здебільшого не перевищує 75‑76 %.