用途广泛的纯碱

用途广泛的纯碱

用途广泛的纯碱

纯碱，学名无水碳酸钠Na₂CO₃，俗名苏打，分子量为106，水溶液呈碱性（pH＝10），可以用作食用碱。碳酸钠有天然产出的，碱性土壤里和某些盐湖里含有碳酸钠。

纯碱用途非常广泛，是玻璃、造纸、肥皂、洗涤剂、纺织、制革等工业大量消耗的重要原料，纯碱还常用作硬水的软化剂，也用于制造钠的化合物。古时候人们从草木灰中提取碱液，后人则从盐湖水中取得天然碱，但是这些方法显然远远不能满足人类生活和生产的需求。直到近代发明了工业制碱法，才逐渐能满足各种需要。这些方法主要有索尔维氨碱法和侯氏联合制碱法。

1．纯碱的工业生产

1775年，法国科学院用10万法郎的悬赏征求可工业化的制碱方法。1788年，勒布兰（1742～1806，见图11－1）提出了以氯化钠为原料的制碱法，经过4年努力，得到一套完整的生产流程，并在推广应用中不断完善。但是该方法主要利用固相反应，需要高温操作，劳动强度大、煤耗量大、产品质量不高、生产不能连续等缺陷明显，需要进一步改革。

1862年，比利时化学家索尔维（1838～1922，见图11－1）发明了以食盐、氨、二氧化碳为原料制取碳酸钠的“索尔维制碱法”（氨碱法），并实现了工业化生产。新方法具有连续生产、产量大、质量高、省劳动力、成本低廉、废物易处理等特点，因而很快取代了勒布兰法。

掌握索尔维制碱法的资本家为了独享此项技术成果，采取了严密的技术保密措施，使外人对此新技术一无所知。英、法、德、美等国相继建立了大规模生产纯碱的工厂，并组织了索尔维公会，对会员以外的国家实行技术封锁。公会之外的其他国家的一些技术专家一直在探索制碱技术的秘密，但大都以失败告终。

然而，制碱方法终究还是被一位中国人运用智慧摸索出来，这个人就是侯德榜（1890～1974，见图11－1）。

第一次世界大战期间，欧亚交通阻塞。当时中国所需纯碱都从英国进口，一时间纯碱非常缺乏，一些以纯碱为原料的民族工业难以生存。1917年，爱国实业家范旭东（1883～1945，见图11－2）在天津塘沽创办永利碱业公司，决心打破洋人的垄断，生产出中国的纯碱。他首先聘请即将在美国获得博士学位的侯德榜出任总工程师。

图11－1　左起：勒布兰，索尔维，侯德榜

针对索尔维法生产纯碱时食盐利用率低，制碱成本高，废液、废渣污染环境和难以处理等不足，侯德榜经过上千次试验，在1943年研究成功联合制碱法。这种方法把合成氨和纯碱两种产品联合生产，提高了食盐利用率，缩短了生产流程，减少了对环境的污染，降低了纯碱的成本。联合制碱法很快为世界各国所采用。

侯氏制碱法依据离子反应的原理进行，反应会向着离子浓度减小的方向进行。很多初、高中教材介绍，复分解反应应有沉淀、气体和难电离的物质生成。侯德榜要利用NaHCO₃在溶液中溶解度较小的特点制纯碱，所以先要制得NaHCO₃，再利用其不稳定性分解得到纯碱。为了制得NaHCO₃，就要有大量钠离子和碳酸氢根离子。在饱和食盐水中通入氨气，形成饱和氨盐水，再向其中通入二氧化碳，在溶液中就有了大量的钠离子、铵根离子、氯离子和碳酸氢根离子。这其中NaHCO₃溶解度最小，所以析出，其余产品处理后可作肥料或循环使用。

图11－2 范旭东和陈调甫

2．氨碱法（索尔维法）

这种方法是比利时工程师索尔维于1862年发明的纯碱制法。他以食盐（氯化钠）、石灰石（经煅烧生成生石灰和二氧化碳）、氨气为原料来制取纯碱。先使氨气通入饱和食盐水中而形成氨盐水，再通入二氧化碳生成溶解度较小的碳酸氢钠沉淀和氯化铵溶液。其化学反应原理（化学反应方程式）是：

经过滤、洗涤得NaHCO₃微小晶体，再加热煅烧可得纯碱：

其中放出的二氧化碳气体可回收循环使用；含有氯化铵的滤液与石灰乳Ca（OH）₂混合加热，所放出的氨气也可回收循环使用：

氨碱法的优点是：原料（食盐和石灰石）便宜，产品纯碱的纯度高，副产品氨和二氧化碳都可以回收循环使用，制造步骤简单，适合于大规模生产。

但是氨碱法也有许多缺点。首先是两种原料的成分都只利用了一半：食盐成分里的钠离子（Na^＋）和石灰石成分里的碳酸根离子结合成了碳酸钠，而食盐中的氯离子（Cl^－）和石灰石的另一成分钙离子（Ca^2＋）却结合成用途不大的氯化钙（CaCl₂），如何处理氯化钙就成为很大的负担。其次，氨碱法的最大缺点是原料食盐的利用率只有72%～74%，其余的食盐都随着氯化钙溶液作为废液被抛弃了，这是一个很大的损失。

3．联合制碱法（侯氏制碱法）

侯德榜于1943年创立的联合制碱法，是将氨碱法和合成氨法两种工艺联合起来，同时生产纯碱和氯化铵两种产品的方法。原料是食盐、氨和二氧化碳，其中二氧化碳是合成氨厂用水煤气制取氢气时的废气，其化学反应原理是：

C＋H₂O→CO＋H₂

CO＋H₂O→CO₂＋H₂

根据NH4Cl在常温时的溶解度比NaCl大，而在低温下却比NaCl的溶解度小的原理，在温度278～283K（5～10℃）下，向母液中加入食盐细粉，使NH4Cl单独结晶析出供作氮肥。

此法优点明显：保留了氨碱法优点，消除了它的缺点，食盐利用率提高到96%；NH₄Cl可作氮肥；与合成氨厂联合，使合成氨原料气中的CO转化成CO₂，革除了CaCO₃制CO₂这一工序。

联合制碱法包含两个过程：

第一个过程与氨碱法相同，将氨通入到饱和食盐水中而成氨盐水，然后再通入二氧化碳生成碳酸氢钠沉淀，经过过滤、洗涤得NaHCO₃微小晶体，再煅烧制得纯碱产品，其滤液是含有氯化铵和氯化钠的溶液。

第二个过程是从含有氯化铵和氯化钠的滤液中结晶沉淀出氯化铵晶体。由于氯化铵在常温下的溶解度比氯化钠要大，低温时的溶解度则比氯化钠小，而且氯化铵在氯化钠的浓溶液里的溶解度要比在纯水里的溶解度小得多，所以在低温条件下，向滤液中加入细粉状的氯化钠，并通入氨气，就可以使氯化铵单独结晶沉淀析出，经过滤、洗涤和干燥即得氯化铵产品。滤出氯化铵沉淀后所得的滤液，已基本上被氯化钠饱和，可以回收循环使用。

其工业生产的简单流程如图11－3所示。

图11－3　侯氏制碱法简单流程图

联合制碱法与氨碱法比较，最大的优点是使食盐的利用率提高到96%以上，即应用同量的食盐可以比氨碱法生产更多的纯碱。另外，联合制碱法综合利用了氨厂的二氧化碳和碱厂的氯离子，同时生产出两种可贵的产品——纯碱和氯化铵。将氨厂的废气二氧化碳，转变为碱厂的主要原料来制取纯碱，这样就节省了碱厂里用于制取二氧化碳的庞大的石灰窑；用碱厂的无用成分氯离子（Cl^－）来代替价格较高的硫酸固定氨厂里的氨，制取氮肥氯化铵，不再生成没有多大用处而又难以处理的氯化钙，不但减少了对环境的污染，还大大降低了纯碱和氮肥的成本，充分体现了大规模联合生产的优越性。

4．联合制碱法的化学方程式联合制碱法主要有以下化学方程式：

上面的两个化学方程式可合并为：

将析出的NaHCO₃晶体煅烧，即得Na₂CO₃：

从上面的化学方程式看，联合制碱法与氨碱法并无不同，二者的区别在原料CO₂的获取和对副产品NH4Cl的处理上。