模擬氨堿法制備純堿實驗的條件優(yōu)化

張婷 封享華 丁世敏 張楊

摘要：通過實驗定量研究了吸收液濃度、溫度、液面高度，通氣速率、吸收方式等因素對氨堿法制備純堿實驗的影響，并優(yōu)化了實驗條件：吸收液體積比濃度為13：2，吸收液溫度為42±1℃，采用18mm×180mm試管為吸收液容器，6mm×8mm×250mm玻璃管作為吸收導管，通氣速率保持在240±10個氣泡/min。實驗條件優(yōu)化后，能全面解決實驗存在的問題，并使純堿收率達49.2%。

關鍵詞：氨堿法； 純堿制備；實驗條件優(yōu)化；實驗改進

文章編號：1005–6629（2016）6–0072–05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

模擬氨堿法制備純堿的實驗因為涉及到的知識點及操作較多，是高中化學非常好的課外設計實驗的題材。但由于該實驗的影響因素較多，在進行實驗設計時難以確定實驗條件，致使實際操作中存在諸多問題：一是實驗過程中氣路易堵塞，甚至導致氣體回沖至滴液漏斗；二是實驗時間長，通常需要3.5小時以上；三是純堿收率低（由于條件控制的差異，其純堿收率通常在15%～30%）。

多年來不少學者對該實驗進行了研究[1～4]。如陳國欽老師認為，實驗中CO2的吸收溫度和吸收方式是影響實驗的關鍵因素，認為吸收溫度在38～50℃較適宜，并提出了一種吸收CO2的方式：“噴散式”，即將通氣管末端（或燒制成尖嘴，要求平滑）與試管底部接觸，通氣時，較大的氣體壓力沖擊試管底部，從而使氣體分散成許多小氣泡[5]。但對于吸收液濃度、液面高度，通氣速率、吸收時間等對實驗的影響研究卻未見報道。本課題全面研究了多種因素對實驗的影響，以期解決實驗中存在的問題。

2 實驗過程

2.1 實驗原理

將NaCl溶于濃氨水中形成氨鹽水，再通入二氧化碳生成溶解度較小的碳酸氫鈉沉淀和氯化銨溶液[6]。再將經過濾、洗滌得到的NaHCO3晶體加熱分解制得Na2CO3。

2.2 實驗材料與裝置

2.2.1 實驗材料

藥品：NaCl晶體、濃氨水、CaCO3固體（大理石，塊狀，與鹽酸反應每克能產生0.43g CO2）、濃鹽酸、冰

儀器：托盤天平、250mL錐形瓶、滴液漏斗、100mL集氣瓶、6mm×8mm玻璃管、各規(guī)格試管、200mL燒杯、溫度計（100℃）、鐵架臺、酒精燈等

2.2.2 實驗裝置

2.3 實驗方法

依據計算及反復多次的實驗表明，NaCl用量為3.0g，既能節(jié)約藥品，又能滿足產品稱量時對稱量誤差的要求；CaCO3采用塊狀及鹽酸體積比濃度采用1：1更容易控制氣流速率；吸收液體積確定為15.0mL，該體積適宜NaCl的用量及裝置的要求；洗氣瓶導管及吸收導管均采用6mm×8mm常規(guī)玻璃管。

（1）吸收液配制：稱取3.0g NaCl多份，分別與不同濃度的濃氨水置于玻璃試管中混合溶解。

（2）按圖1裝配儀器，檢查裝置氣密性。稱取足量塊狀CaCO3置于錐形瓶中，將足量的1：1鹽酸倒入滴液漏斗，將100mL蒸餾水置于集氣瓶。加熱燒杯中蒸餾水至一定溫度。

（3）打開滴液漏斗活塞，通過控制稀鹽酸滴加速率，保持集氣瓶中勻速產生氣泡，以集氣瓶中氣泡產生的個數度量通氣速率（個/min）。

（4）一定時間后停止通氣，將熱水浴中熱水換成冰-水混合體系，冷卻一定時間。

（4）取出試管，過濾。將所得白色固體用冰水冷卻的少量蒸餾水（每次3mL）洗滌2次。

（5）固體移至蒸發(fā)皿，用酒精燈加熱并不斷攪拌，直至全部變?yōu)榘咨勰橹?，冷卻，稱重，計算純堿收率。

2.4 對照實驗

2.4.1 吸收液濃度對實驗的影響

吸收液堿性越強，越有利于溶液對CO2的吸收[7]，且NaCl濃度和氨濃度越高，越有利于NaCl向NaHCO3的轉化。因此，理論上CO2的吸收液應配成被NaCl飽和的濃氨水溶液。但是該溶液的配制存在一些問題，一是當氨水濃度較高時，NaCl在其中的溶解度無數據可查（NaCl在氨水中的溶解度隨著氨水濃度的增大而下降[8]）；二是溶解達到飽和的時間長，浪費時間。因此，應選擇溶質濃度高，又能快速配制的吸收液。在相同條件下[吸收液溫度42±1℃，噴散式，通氣速率= 130±5個/min，t（吸收）=90min，t（冷卻）=15min，18mm×180mm試管]，按照濃氨水體積比濃度分別為10：5、12：3、13：2、14：1設計四組對照實驗，得出最佳的吸收液濃度比。

2.4.2 吸收液溫度對實驗的影響

NH3和CO2的反應是一個放熱反應，因此吸收液溫度會對實驗有一定的影響。實驗設計在同一條件下[吸收液濃度為13：2，噴散式，通氣速率=130±5個/min，t（吸收）=90min，t（冷卻）=15min，18mm×180mm試管]，測定不同吸收液溫度下開始析晶的時間和純堿收率。吸收液溫度分別為32±1℃、37±1℃、42±1℃、47±1℃、52±1℃、 57±1℃。

2.4.3 吸收液冷卻時間的確定

在進行“2.4.2”中吸收液溫度為42±1℃的實驗時，當反應氣體通氣結束后，取出試管，放入冰水中冷卻，并將溫度計插入吸收液，測定溫度變化情況。

2.4.4 吸收液液面高度對實驗的影響

從理論上判斷，吸收液液面越高，氣泡與吸收液接觸的時間越長，越有利于提高CO2的利用率和單位時間內純堿的收率。為研究該因素對實驗的影響程度，在相同實驗條件下[吸收液溫度42±1℃，噴散式，通氣速率=130±5個/min，t（吸收）=90min，t（冷卻）=11min]，實驗設計選擇18mm×180mm和25mm×200mm兩種規(guī)格的試管作為反應容器，進行兩組對比實驗。

2.4.5 通入CO2速率對實驗的影響

通氣速率的大小會直接影響氣液反應的接觸面積，從而影響純堿收率[9]。在相同條件下[吸收液溫度42±1℃，噴散式吸收，t（吸收）=90min，t（冷卻）=11min，18mm×180mm試管]，實驗設計三組不同的通氣速率實驗，通氣速率（通過控制稀鹽酸滴加速率，以集氣瓶中氣泡產生的個數度量通氣速率）分別為130±5個/min、190±10個/min、240±10個/min。

2.4.6 吸收方式對實驗的影響

氣-液接觸面積越大、接觸時間越長，越有利于CO2的吸收。提高了CO2的利用率，就降低了實驗成本和實驗時間。實驗室通常用6mm×8mm×250mm玻璃管作為通氣導管，通氣導管插入液相內部，氣泡在液體內的上升過程中實現液體對氣體的吸收，這種方式稱為普通式。由于普通式產生的氣泡體積大，比表面小，理論上對氣體的吸收效率低。而噴散式可使氣體分散成許多小氣泡，大大增加了氣泡的比表面，理論上可以提高氣體吸收效率，從而提高反應速率。

在同一實驗條件下[吸收液溫度42±1℃，通氣速率=240±10個氣泡/min，t（吸收）=90min，t（冷卻）=11min，18mm×180mm試管]，實驗采用三種吸收方式做比較。普通式，6mm×8mm×25cm玻璃管，內徑6mm，導管口離試管底部0.5cm；6mm內徑噴散式，6mm×8mm×25cm玻璃管，內徑6mm；1.5mm內徑噴散式，6mm×8mm×25cm玻璃管末端燒制成尖嘴，內徑1.5mm。

2.4.7 冷卻過程是否通入CO2對實驗結果的影響

為研究冷卻過程是否繼續(xù)通氣對純堿收率有無影響，實驗設計在同一條件下[吸收液溫度42±1℃，噴散式，通氣速率=240±10個/min，t（吸收）=90min，t（冷卻）=11min，18mm×180mm試管]，在冷卻過程中繼續(xù)通入CO2或不通入時，分別測定純堿的收率。

2.4.8 通入CO2時間對實驗的影響

實驗設計在同一條件下[吸收液溫度42±1℃，噴散式，通氣速率=240±10個/min，t（冷卻）=11min，18mm×180mm試管]，通氣時間分別為30min、60min、90min、120min時，分別測定純堿收率。通氣時間越長，純堿收率越高，但90min后繼續(xù)通氣對純堿收率貢獻不大，從節(jié)約時間考慮，通氣時間設置為90min最合適。

3 實驗結果與分析

3.1 不同吸收液濃度的實驗結果

通過四組不同濃度吸收液的對照實驗，可以發(fā)現總體積為15.0mL的吸收液，隨著吸收液中氨濃度的增加，初始析晶的時間就越短，純堿收率就越高，但NaCl溶解所需時間也就越長，當吸收液氨水體積比濃度為14：1時，NaCl已不能全部溶解。綜合時間和效率兩個因素，選擇氨水濃度為13：2的吸收液比較恰當。實驗結果如表1所示。

3.2 不同吸收液溫度的實驗結果

吸收液溫度越高，CO2、氨氣在水中溶解度越小，且碳酸氫銨在36℃以上開始分解為CO2、氨氣和水，60℃可以分解完全。因此，高溫不利于NaHCO3晶體的生成；但溫度低，質點運動速率慢，不利于CO2在氣-液界面和液體內部的傳質[10]，CO2的吸收速率小，也不利于晶體的生成。實驗結果表明，溫度低于或高于42±1℃，開始析晶的時間變長，純堿收率降低，故吸收液最佳反應溫度為42±1℃。實驗結果如圖2所示。

3.3 吸收液冷卻時間確定的實驗結果

實驗結果如圖3所示，吸收液溫度的降低主要發(fā)生在前3min，其后，溫度降速變小，11min時降為0℃。建議吸收液的冷卻時間為11min。

3.4 不同吸收液液面高度的實驗結果

吸收液液面越高，氣泡與吸收液接觸的時間越長，就越有利于提高CO2的利用率和單位時間內純堿的收率。表2表明，液面高度從4.0cm增加到10.0cm，開始析晶時間顯著縮短，純堿收率明顯提高，因此，反應容器應采用18mm×180mm試管。

3.5 不同CO2通入速率的實驗結果

實驗結果（見表3）表明，通氣速率越大，越有利于縮短開始析晶的時間，有利于提高純堿收率。但通氣速率大于240±10個氣泡/min時，氣泡會將液體沖出試管。所以，通氣速率控制在240±10個氣泡/min為宜。

3.6 不同吸收方式的實驗結果

實驗結果見表4所示，噴散式與普通式相比，同時產生的氣泡個數顯著增加，氣泡直徑顯著減小，開始析出晶體的時間顯著縮短，純堿收率明顯提高。對于不同內徑的噴散式，內徑越小，開始析出晶體的時間有所縮短，純堿收率有所提高，但提高幅度不大。對于1.5mm內徑噴散式，尖嘴內部容易析晶，導致堵塞，需要多次清理，去除堵塞物方能使實驗有效進行，因此，采用6mm內徑噴散式是合理的。

3.7 冷卻過程是否通入CO2的實驗結果

實驗結果（見表5）表明，冷卻過程是否通氣對純堿收率無明顯影響。其原因是，降溫過程主要發(fā)生在前3min，吸收液處在相對較高溫度的時間段，溫度越低，CO2的吸收速率越小，對純堿收率的貢獻越小。因此，建議冷卻時不通氣，以減少藥品的消耗。

3.8 不同通氣時間的實驗結果

實驗結果（見表6）表明，通氣時間越長，純堿收率越高，但90min后繼續(xù)通氣對純堿收率的貢獻不大，從節(jié)約時間考慮，通氣時間設置為90min最合適。

綜上實驗，優(yōu)化實驗條件后，純堿最大收率可達49.2%。存在于母液中的NaCl未得到循環(huán)利用，NaHCO3的溶解損失（包括母液中的溶解和洗滌過程中的溶解）、NaHCO3在濾紙上的粘附、純堿在蒸發(fā)皿上的粘附等也是影響純堿收率的因素。

4 結論

（1）模擬氨堿法制備純堿實驗中，吸收液濃度、溫度、液面高度，通氣速率、吸收方式、吸收時間等因素都對純堿收率產生較大的影響，而吸收液冷卻過程中是否通入CO2對實驗結果影響不大。

（2）實驗最宜條件為：用3.0g NaCl與13.0mL濃氨水、2.0mL蒸餾水配成吸收液，所需1：1鹽酸約180mL，塊狀CaCO3約45g，采用18mm×180mm試管為吸收液容器，6mm×8mm×250mm玻璃管作為吸收導管，采用噴散式吸收CO2，通氣速率保持在240±10個氣泡/min，吸收液溫度控制在42±1℃，通氣時間控制在90min，通氣后吸收液的冷卻時間控制在11min，且冷卻過程不用通入CO2。在此條件下，實驗總共耗時約為143min，通氣15min后可見晶體析出，實驗能使純堿收率達到49.2%，可制備Na2CO3 1.48g。

（3）條件優(yōu)化后，實驗裝置能平穩(wěn)運行，實驗時間顯著縮短，純堿收率明顯提高。

參考文獻：

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