轉(zhuǎn)化法制備氯化銨的條件優(yōu)化

周德望，郭必豹，李祖略，李 芳

（臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院， 浙江 椒江 318000）

轉(zhuǎn)化法制備氯化銨的條件優(yōu)化

周德望，郭必豹，李祖略，李 芳

（臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院， 浙江 椒江 318000）

以氯化鈉和硫酸銨為原料，采用正交設(shè)計(jì)法對(duì)氯化銨的制備條件進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在物料比為2∶1，冰浴冷卻時(shí)間為20 min，蒸發(fā)水量為45%，冷卻溫度為35 ℃的條件下，單次結(jié)晶氯化銨的產(chǎn)率和純度明顯提高。

氯化銨；轉(zhuǎn)化法；正交設(shè)計(jì)

氯化銨(NH4Cl)屬無(wú)色立方晶體或白色粉末，是一種重要的無(wú)機(jī)化工原料，國(guó)內(nèi)工業(yè)化生產(chǎn)方法為純堿聯(lián)產(chǎn)氯化銨工藝[1]，而實(shí)驗(yàn)室制法為轉(zhuǎn)化法[2]。目前，氯化銨除主要用作化學(xué)肥料[3]外，科技工作者還對(duì)其在浸取毒重石制備氯化鋇[4]、固相分解法生產(chǎn)氨[5]、處理含釩廢水[6]及醫(yī)藥和食品助劑[7]等方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究。因此，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室制備氯化銨的實(shí)驗(yàn)條件，強(qiáng)化方法學(xué)在水溶性無(wú)機(jī)鹽制備方法中的應(yīng)用，對(duì)于提高產(chǎn)品的純度與產(chǎn)率，具有一定的參考價(jià)值。

按文獻(xiàn)［2］轉(zhuǎn)化法制備氯化銨時(shí)，由于Na2SO4和NH4Cl不易分離，因此，所得到的產(chǎn)品純度差，產(chǎn)率低(有時(shí)甚至得不到NH4Cl)。因此，本文利用正交設(shè)計(jì)法對(duì)轉(zhuǎn)化法制備NH4Cl的技術(shù)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)、優(yōu)化與改進(jìn)，以達(dá)到在保證NH4Cl純度的前提下，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的產(chǎn)率。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器及試劑

循環(huán)水式真空泵(臺(tái)州市信力電子設(shè)備有限公司)；調(diào)溫電熱套(ZNCL-TS，河南愛(ài)博特科技發(fā)展有限公司)；Elix-5+Milli-QG純水系統(tǒng)(美國(guó)Millipore公司)；滴定管，蒸發(fā)皿等。

硫酸銨，氯化鈉，鉻酸鉀，硝酸銀(0.01 mol/L)等均為分析純；實(shí)驗(yàn)用水為蒸餾水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)利用NaCl與(NH4)2SO4的復(fù)分解反應(yīng)來(lái)制備NH4Cl。

NH4Cl、Na2SO4·10H2O和Na2SO4在水中的溶解度曲線如圖1所示。

圖1 溶解度曲線Fig.1 Curve of solubility

由圖1可看出，NH4Cl和Na2SO4·10H2O的溶解度隨溫度的升高而增加，但當(dāng)溫度超過(guò)32.4 ℃時(shí)，Na2SO4·10H2O失去結(jié)晶水變成無(wú)水Na2SO4，同時(shí)，其溶解度會(huì)隨溫度的升高反而降低[1]。因此，將NaCl與(NH4)2SO4溶于水，再用冰浴冷卻，在Na2SO4·10H2O結(jié)晶析出并過(guò)濾后，將濾液加熱蒸發(fā)，Na2SO4又會(huì)結(jié)晶析出，再趁熱過(guò)濾除去Na2SO4，最后再將濾液冷卻，NH4Cl晶體隨溫度的下降逐漸析出，在35 ℃左右抽濾，即可得純度較高的NH4Cl產(chǎn)品。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

稱取適量的NaCl 和(NH4)2SO4放入小燒杯中加23 mL的蒸餾水，攪拌至完全溶解。然后將盛有溶液的小燒杯放入冰浴，當(dāng)燒杯中溶液溫度接近冰浴溫度時(shí)(約需12 min)，加入Na2SO4晶種，放置適當(dāng)時(shí)間，抽濾，除去Na2SO4·10H2O。將濾液轉(zhuǎn)入蒸發(fā)皿，水浴加熱蒸發(fā)到相應(yīng)的一定體積，趁熱過(guò)濾；濾液迅速倒入燒杯中，靜置至35 ℃，抽濾，產(chǎn)品干燥后，稱量。產(chǎn)品純度(Cl-含量)按文獻(xiàn)[2]的鉻酸鉀指示劑法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，影響NH4Cl收率與純度的主要因素有NaCl和(NH4)2SO4的物料比、加入晶種后靜置時(shí)間(靜置時(shí)間)和水的蒸發(fā)量等。因此，按照正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以物料比(A)、冰浴冷卻時(shí)間(B)和水的蒸發(fā)量(C)三個(gè)因素(每個(gè)因素考察四個(gè)水平變量)優(yōu)化NH4Cl的制備條件。選擇L16(45)正交表進(jìn)行表頭設(shè)計(jì)[3]，各因子與水平的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1。按正交表所組成的各因子不同水平的實(shí)驗(yàn)方案如表2，實(shí)驗(yàn)考量指標(biāo)為NH4Cl收率與純度。

表1 因子與水平的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 List of factors and its levels

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2的16組方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，計(jì)算產(chǎn)品的收率，并測(cè)定其純度，結(jié)果見(jiàn)表2右側(cè)。

2.3 極差分析

由各因素不同水平下收率與純度的平均值(ki(r)/ki(Cl-))及極差值(R)的數(shù)據(jù)可以看出，靜置時(shí)間和水的蒸發(fā)量是影響指標(biāo)的主要因素，物料比是次要因素。按照實(shí)驗(yàn)對(duì)指標(biāo)的要求，選取的最佳實(shí)驗(yàn)條件為物料比(mol/mol)2∶1，加入晶種后的冰浴冷卻靜置時(shí)間20 min，水的蒸發(fā)量45%，即A3B2C1作為NH4Cl的優(yōu)化制備條件，最佳條件下重復(fù)4次實(shí)驗(yàn)，NH4Cl的平均收率為26%，平均純度92%。

表 2 實(shí)驗(yàn)方案、結(jié)果及極差分析Table 2 The scheme, results and range analysis of orthogonal experiments

3 結(jié)束語(yǔ)

以氯化鈉和硫酸銨為原料，用轉(zhuǎn)化法制備NH4Cl，實(shí)驗(yàn)操作的關(guān)鍵是靜置時(shí)間和水的蒸發(fā)量控制及Na2SO4雜質(zhì)的分離技術(shù)。本文利用Na2SO4·10H2O失去結(jié)晶水的拐點(diǎn)溫度之后，Na2SO4溶解度隨溫度升高而降低的特點(diǎn)，通過(guò)控制溫度并進(jìn)行兩次分離的方法，有效地去除了Na2SO4雜質(zhì)，同時(shí)，加入Na2SO4晶種后在冰浴中靜置冷卻20 min，控制水的蒸發(fā)量為45%，即可有效地保證產(chǎn)品的純度，提高NH4Cl的產(chǎn)率。

［1］ 王延峰，劉吉祥，肖光. 氯化銨生產(chǎn)工藝的研究[J]. 氮肥技術(shù)，2014，34(4): 45-46.

［2］ 梁華定，陳素青，趙松林，等. 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)Ι(無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn))[M]. 杭州：浙江大學(xué)出版社, 2012.

［3］ 汪德春. 氯化銨產(chǎn)品應(yīng)用拓展展望[J]. 純堿工業(yè)，2012，1:23-24.

［4］ 孫大貴，王冰青，劉作華，等. 電場(chǎng)強(qiáng)化氯化銨法浸取毒重石的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2014，46(1): 17-20.

［5］ 劉潤(rùn)靜，趙曉鳳. 氯化銨固相分解法生產(chǎn)氨新工藝的研究[J]. 純堿工業(yè)，2012，3: 3-5.

［6］ 關(guān)洪亮， 王杏林， 張璐，等. 氯化銨處理含釩廢水的研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2014，37(5)：122-125.

［7］ 賈文平，韓得滿，李芳，等. 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)Ⅲ(分析化學(xué)實(shí)驗(yàn))[M] .杭州：浙江大學(xué)出版社, 2012.

［8］ 鄭用熙. 分析化學(xué)中的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法[M] .北京：科學(xué)出版社, 1991.

Optimization of Conditions for Preparation of Ammonium Chloride Based Transformation Method

ZHOU De-wang, GUO Bi-bao, LI Zu-xian, LI Fang
（School of Pharmaceutical and Chemical Engineering, Taizhou University, Zhejiang Jiaojiang 318000, China）

An experimental program was designed for preparing ammonium chloride from sodium chloride and ammonium sulfate based on the orthogonal design. The optimum conditions were determined as follows: material ratio 2:1, cooling time 20 min and temperature 35 ℃,water evaporation 45%. Under above conditions, the productivity and pure of ammonium chloride could be improved dramatically.

Ammonium chloride; Transformation; Orthogonal design

TQ 113.7

： B

： 1671-0460（2015）01-0039-03

2014-06-03

周德望（1992-），男，浙江溫州人，臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院生物制藥工程專業(yè)。E-mail：1670317594@qq.com。

李芳(1963-)，女，山西大同人，副教授，主要從事無(wú)機(jī)化學(xué)科研與教學(xué)工作。Email: tzclifang@tzc.edu.cn。