侯氏制堿法產(chǎn)物碳酸鈉中氯化鈉的有效去除*

李 洋 王文卓 郭子琰 王銳澤 陳詠梅 徐慶紅

（北京化工大學(xué)化學(xué)學(xué)院 北京 102299）

自1943年侯德榜先生發(fā)明侯氏制堿法以來(lái)，我國(guó)純堿工業(yè)生產(chǎn)能力高速發(fā)展。純堿作為基本化工原料，被廣泛應(yīng)用于造紙、冶金、紡織、石油、國(guó)防、醫(yī)藥等領(lǐng)域，純堿同時(shí)也是制造其他化學(xué)品的原料、清洗劑和洗滌劑。［1，2］在純堿的生產(chǎn)過(guò)程中，Na+和Cl-極容易被中間產(chǎn)物NaHCO3吸附和包夾，因此，在NaHCO3經(jīng)過(guò)焙燒之后，產(chǎn)物Na2CO3中含有一定量的雜質(zhì)NaCl。NaCl 在Na2CO3中含量的高低是成品純堿被關(guān)注的主要指標(biāo)之一，是判定純堿產(chǎn)品品級(jí)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。Na2CO3中NaCl 的含量越低，純堿產(chǎn)品品級(jí)越高，質(zhì)量越高。純堿制備過(guò)程中的純化同樣關(guān)系到外銷產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益和國(guó)家的國(guó)際名譽(yù)?；ぎa(chǎn)品國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，成品純堿中NaCl 的含量小于0.0050 %為優(yōu)級(jí)品，含量為0.0050 %～0.0080 %為一級(jí)品，含量為0.0080%～0.010%為合格品，含量大于0.010%為等外品。［3，4］因此，降低聯(lián)合制堿法產(chǎn)物純堿中NaCl 的含量，具有重要意義。

對(duì)于純堿制備過(guò)程中的純化問(wèn)題，研究者們多年來(lái)進(jìn)行了很多嘗試，也發(fā)展了很多純化方法，諸如化學(xué)沉淀-結(jié)晶法［5］、微孔膜過(guò)濾法［6］、蒸發(fā)-結(jié)晶法［7］和碳化-絡(luò)合法［8］等等。例如：楊等［9］采用重結(jié)晶法提純純堿產(chǎn)品，去除效率最高只能達(dá)到52.97%；葉等［7］雖然使用蒸發(fā)-結(jié)晶法實(shí)現(xiàn)了94.4%的純堿回收率，但該方法成本高昂、操作復(fù)雜，并不適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)大規(guī)模使用。長(zhǎng)期的實(shí)踐證明，很多已知方法有除雜效果低、成本高、操作繁雜、其他雜質(zhì)的引入、造成二次環(huán)境污染等弊端。［10］

通過(guò)探索，課題組實(shí)現(xiàn)了便捷高效、綠色環(huán)保的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模純堿純化新方法。該方法不僅對(duì)中學(xué)和大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“碳酸鈉的制備”產(chǎn)物純化切實(shí)可行，優(yōu)化了無(wú)機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容；同時(shí)也給工業(yè)純堿生產(chǎn)提供了一個(gè)產(chǎn)物純化新思路。

一、實(shí)驗(yàn)部分及樣品測(cè)試方法

1.儀器與試劑

儀器：循環(huán)水式多用真空泵（河南豫華儀器科技有限公司SHZ-DIII）；恒溫水浴鍋（江蘇新春蘭科學(xué)儀器有限公司HH-M6）；萬(wàn)分之一電子天平（上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司FA2004）；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（上海遠(yuǎn)懷實(shí)業(yè)有限公司RE501）。

試劑與材料：氯化鈉（AR，≥99.5 %），碳酸氫銨（AR，NH3含量21.0～22.0 %），一水合硝酸汞（AR，≥98.0%），硝酸（AR，≥68.0%），溴酚藍(lán)（生物技術(shù)級(jí)），二苯偶氮碳酰肼指示劑（AR，≥40.0 %），NaOH 溶液（AR，≥68.0 %），無(wú)水乙醇（AR，≥99.7 %），甲醇（AR，≥99.7%），正丁醇（AR，≥99.7%）。上述試劑均購(gòu)自北京化學(xué)試劑廠。實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

按照《新編大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》教材中“碳酸鈉的制備”相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行純堿的制備。［11］量取NaCl 溶液（270.0 g/L）50 mL 放入100 mL 燒杯中，然后水浴加熱，溫度控制在30～35 ℃范圍內(nèi)。稱取NH4HCO3固體20 g，在不斷攪拌下分批次加入到上述溶液中。加料完畢后繼續(xù)充分?jǐn)嚢?0 min左右，并保持反應(yīng)要求溫度。靜置幾分鐘后減壓過(guò)濾，得到NaHCO3晶體（盡量抽干母液）。抽干后用所選定的試劑對(duì)樣品進(jìn)行洗滌。在此步驟開(kāi)展一系列單變量實(shí)驗(yàn)，探究最佳樣品洗滌條件對(duì)NaCl 去除率的影響。對(duì)洗滌后的樣品進(jìn)行高溫焙燒，制備得到Na2CO3試樣。利用標(biāo)準(zhǔn)汞量法測(cè)定Na2CO3樣品中Cl-的含量。另外，考察洗滌液4次重復(fù)使用后的回收率。

（1）乙醇用量對(duì)洗滌效果的影響

按照提供的制備方法，相同條件下制備11 組NaHCO3。20 ℃下使用無(wú)水乙醇作為洗液對(duì)NaHCO3進(jìn)行洗滌，潤(rùn)洗次數(shù)1次，潤(rùn)洗時(shí)間1 min，收集洗滌后的NaHCO3待用。反應(yīng)物和乙醇的質(zhì)量比（m乙醇/m反應(yīng)物）分別為6∶1、4∶1、3∶1、2∶1、1.5∶1、1∶1、1∶1.5、1∶2、1∶3、1∶4、1∶6。

將洗滌后的產(chǎn)品置于蒸發(fā)皿中，并水浴加熱將乙醇揮發(fā)殆盡；然后樣品置于石棉網(wǎng)上高溫焙燒0.5 h左右，得到白色粉末狀Na2CO3。冷卻到室溫后，稱量。準(zhǔn)確稱取2.0000 g 制備的Na2CO3樣品溶于去離子水中，并定容于50.00 mL 容量瓶中。用移液管移取25.00 mL Na2CO3溶液，用0.0500 mol/L 硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定，測(cè)定樣品中Cl-含量，得到最佳m乙醇/m反應(yīng)物比率。

（2）潤(rùn)洗次數(shù)對(duì)洗滌效果的影響

按照提供的制備方法，在相同條件下制備6組NaHCO3試樣。20 ℃下用上述步驟中得到的最佳m乙醇/m反應(yīng)物比值對(duì)NaHCO3進(jìn)行洗滌，分別潤(rùn)洗0、1、2、3、4、5次，每次潤(rùn)洗時(shí)間為1 min。采用上述相同的方法制備Na2CO3試樣并測(cè)定其中的Cl-含量，得到最佳潤(rùn)洗次數(shù)。

（3）潤(rùn)洗時(shí)間對(duì)洗滌效果的影響

按照提供的制備方法，在相同條件下制備7 組NaHCO3試樣。使用無(wú)水乙醇作為洗液，選擇最佳反應(yīng)物和乙醇質(zhì)量比例及潤(rùn)洗次數(shù)，20 ℃下潤(rùn)洗NaHCO3試樣。七組試樣的浸泡時(shí)間分別為0、1、2、3、4、5、6 min。采用前述相同的方法制備Na2CO3試樣并測(cè)定其中的Cl-含量，得到最佳潤(rùn)洗時(shí)間。

（4）洗液濃度對(duì)洗滌效果的影響

按照提供的制備方法，在相同的條件下制備6 組NaHCO3。分別使用0%、20%、50%、80%、85%、90%、95%、96%、97%、98%、99%、100%乙醇水溶液為洗液，在最佳反應(yīng)物和乙醇質(zhì)量比例、潤(rùn)洗次數(shù)、潤(rùn)洗時(shí)間條件下，于20 ℃用乙醇水溶液洗滌NaHCO3試樣。采用前述相同的方法制備Na2CO3試樣并測(cè)定其中的Cl-含量，得到最佳洗液濃度。

（5）洗液溫度對(duì)洗滌效果的影響

按照提供的制備方法，在相同的條件下制備6 組NaHCO3。在最佳反應(yīng)物和乙醇質(zhì)量比例、潤(rùn)洗次數(shù)、潤(rùn)洗時(shí)間、洗液濃度條件下，分別用溫度為0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃及50 ℃的乙醇水溶液對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行洗滌。采用前述相同的方法制備Na2CO3試樣并測(cè)定其中的Cl-含量，得到最佳洗液溫度。

（6）探究洗滌液種類對(duì)洗滌效果的影響及機(jī)理分析

按照提供的制備方法，在相同的條件下制備4 組NaHCO3。在上述得到的最佳洗滌條件下，分別用甲醇（極性6.6）、正丁醇（極性3.7）、異丁醇（極性3.0）作為洗液對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行洗滌。采用前述相同的方法制備Na2CO3試樣并測(cè)定其中的Cl-含量。比較上述洗液和乙醇（極性4.3）溶液對(duì)NaCl 洗除的效果，并分析洗液極性與NaCl脫除率及產(chǎn)物產(chǎn)率之間的關(guān)系。

（7）探究洗滌步驟對(duì)洗滌效果的影響及機(jī)理分析

按照提供的制備方法，在相同的條件下制備3 組NaHCO3。在上述得到的最佳洗滌條件下，對(duì)比洗滌潮濕態(tài)NaHCO3、干燥態(tài)NaHCO3及干燥態(tài)終產(chǎn)物Na2CO3三種情況下的NaCl去除率。

（8）乙醇洗液回收率的考察

按照實(shí)驗(yàn)步驟中的制備方法，在相同操作條件下制備5組NaHCO3。在最佳洗滌條件下，使用同一批乙醇溶液對(duì)該5份樣品連續(xù)進(jìn)行洗滌，旋蒸回收每次洗滌后的乙醇再利用，考察乙醇的回收率。

（9）Na2CO3試樣中Cl-含量的測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)使用汞量法測(cè)定樣品中NaCl的含量。

0.05 mol?L-1硝酸汞溶液的標(biāo)定 用移液管移取25.00 mL NaCl 標(biāo)準(zhǔn)溶液（0.0500 mol?L-1）于250 mL錐形瓶中，加100 mL 去離子水和2～3 滴溴酚藍(lán)指示劑，滴加1.0 mol?L-1硝酸溶液至溶液由藍(lán)變黃，再過(guò)量2～6滴；加入4～5滴二苯偶氮碳酰肼指示劑，用硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液由黃色變?yōu)樽霞t色，記錄所用硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積。同時(shí)做空白實(shí)驗(yàn)（25.00 mL去離子水）。

硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液濃度c（mol?L-1）以式1進(jìn)行計(jì)算：

其中：c1為氯化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度（mol?L-1）；V1為移取的氯化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液體積（mL）；V為滴定所消耗的硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)溶液體積（mL）；V0為滴定空白試驗(yàn)溶液所消耗的硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)溶液體積（mL）。

參比溶液的測(cè)定在250 mL錐形瓶中加入40 mL去離子水和2滴溴酚藍(lán)指示劑，滴加硝酸溶液（1.8 mol?L-1）至溶液由藍(lán)色恰變?yōu)辄S色，再過(guò)量2～3 滴。加入4～5 滴二苯偶氮碳酰肼指示劑，用已知準(zhǔn)確濃度的硝酸汞溶液滴定至溶液由黃色變?yōu)樽霞t色，記錄所消耗的硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)溶液體積。

Na2CO3試樣中NaCl 含量的測(cè)定稱量2.0000 gNa2CO3試樣，用少量去離子水溶解后轉(zhuǎn)移至50.00 mL容量瓶中。然后用移液管準(zhǔn)確移取25.00 mL 配制好的Na2CO3溶液于250 mL錐形瓶中，加入2滴溴酚藍(lán)指示液，滴加7.4 mol?L-1硝酸溶液中和至溶液變黃后，滴加1 mol?L-1氫氧化鈉溶液至溶液變藍(lán)，用1.8 mol?L-1硝酸溶液調(diào)至溶液恰好呈黃色后再過(guò)量2～3 滴。向上述溶液中滴加4～5滴二苯偶氮碳酰胼指示液，用已知準(zhǔn)確濃度的硝酸汞溶液滴定至溶液由黃色變?yōu)樽霞t色即為終點(diǎn)，記錄所消耗的硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)溶液體積。試樣中氯化鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)wNaCl由式2計(jì)算得到。

其中：c為硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的準(zhǔn)確值（mol?L-1）；V為滴定消耗的硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)溶液體積（mL）；V0為參比溶液所消耗的硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)溶液體積（mL）；m為Na2CO3試樣的質(zhì)量（g）；M為氯化鈉的摩爾質(zhì)量（58.44）（g?mol-1）。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

1. 乙醇溶液作為洗液洗脫NaHCO3中NaCl 雜質(zhì)的可行性分析

NaCl、NaHCO3和Na2CO3在20 ℃水和無(wú)水乙醇中的溶解度如表1所示。研究發(fā)現(xiàn)，在去離子水和無(wú)水乙醇中，NaCl、NaCO3和NaHCO3的溶解度均依次降低，但三種物質(zhì)在無(wú)水乙醇中的溶解度均很小，且呈快速遞減趨勢(shì)，NaHCO3在其中幾乎不溶解。［12］如果用乙醇濕潤(rùn)洗滌制備過(guò)程中間產(chǎn)物NaHCO3，則有可能最大程度地將NaCl 從產(chǎn)品制備系統(tǒng)中去除同時(shí)保證產(chǎn)品損失率最小，從而提高純堿的制備品質(zhì)。另外，洗滌后的乙醇能夠很容易地被蒸餾回收并循環(huán)使用，達(dá)到綠色環(huán)保、增加經(jīng)濟(jì)效益之目的。

表1 常溫下NaCl、NaHCO3和Na2CO3在去離子水和無(wú)水乙醇中的溶解度

由于在室溫下NaCl 在無(wú)水乙醇中的溶解度為0.065 g?（100 g）-1，NaHCO3在無(wú)水乙醇中的溶解度約等于0.000 g?（100 g）-1，在提純過(guò)程中，用高濃度的乙醇水溶液為洗液，能夠最大程度地提高NaCl在洗液中的溶解度并降低產(chǎn)品的損耗。另外，根據(jù)NaCl 和NaHCO3的二元體系相圖可知，NaCl 在乙醇中的溶解度隨溫度變化很明顯，而NaHCO3在乙醇中的溶解度基本不隨溫度變化，故理論上提高洗液乙醇溫度能夠提升NaHCO3中的NaCl脫出效率。［13］

本實(shí)驗(yàn)用高濃度乙醇溶液洗滌制備過(guò)程中的中間產(chǎn)物NaHCO3。通過(guò)開(kāi)展單變量實(shí)驗(yàn)，探究洗液與反應(yīng)物質(zhì)量比、洗滌時(shí)間、洗滌次數(shù)、洗液濃度、環(huán)境溫度對(duì)氯化鈉去除率以及碳酸鈉產(chǎn)率的影響，以期望得到最佳洗滌條件。溶解過(guò)程是溶質(zhì)與溶劑分子間相互作用的結(jié)果，溶解度主要取決于同種分子和異種分子之間的作用力，而分子間引力的大小與分子的極性、極化度、分子間形成的氫鍵以及絡(luò)合物的形成等有關(guān)。［14］因此，課題組在探究用高濃度乙醇作為洗液的同時(shí)，還對(duì)分子極性不同的甲醇、正丁醇、異丁醇作為洗液從NaHCO3中洗脫NaCl 進(jìn)行了研究，并將結(jié)果與高濃度乙醇溶液的洗滌效果進(jìn)行了比較。與此同時(shí)，課題組還對(duì)回收乙醇的重復(fù)利用性能進(jìn)行了研究。對(duì)于Na2CO3中的NaCl 含量，本實(shí)驗(yàn)采用汞量法進(jìn)行滴定測(cè)定（以二苯偶氮碳酰肼為指示劑），其中所涉及的滴定原理［15，16］如式3、4所示。滴定過(guò)程中，Hg2+與洗滌液中的Cl-絡(luò)合，當(dāng)Cl-幾乎全部反應(yīng)后，稍過(guò)量的Hg2+與指示劑二苯偶氮碳酰肼絡(luò)合，溶液變?yōu)樽霞t色。通過(guò)消耗的Hg2+物質(zhì)的量計(jì)算所配制純堿溶液中Cl-的物質(zhì)的量，進(jìn)而得到純堿中所含NaCl 的百分含量。

2.以乙醇為洗滌液的單變量實(shí)驗(yàn)對(duì)NaCl 脫除率的影響

乙醇用量對(duì)NaCl 脫除率及Na2CO3產(chǎn)率的影響如圖1所示。在m乙醇/m反應(yīng)物由0提升到1∶3的過(guò)程中，雜質(zhì)NaCl的脫除率由0.00 wt%快速提升到87.00 wt%；繼續(xù)提高乙醇用量，NaCl 的脫除率雖然略有升高，但非常緩慢；當(dāng)m乙醇/m反應(yīng)物為3∶1時(shí)，產(chǎn)品中NaCl的脫除率達(dá)到94.33 wt.%，繼續(xù)增加乙醇用量，NaCl的脫除率基本不再發(fā)生變化。由圖1B 中可知，隨著乙醇洗液用量的增加，Na2CO3的產(chǎn)率略有降低（67.91～64.63%），此降低主要是NaCl的脫除造成的。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，秉承節(jié)省原料的綠色化學(xué)思想，選取m乙醇/m反應(yīng)物=3∶1為最佳比例開(kāi)展后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖1 乙醇用量對(duì)NaCl的去除率（A）及Na2CO3產(chǎn)率（B）的影響

浸潤(rùn)洗滌次數(shù)對(duì)NaCl 脫除率及Na2CO3產(chǎn)率的影響如圖2所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)用無(wú)水乙醇浸潤(rùn)洗滌NaHCO31 次時(shí)，終產(chǎn)物Na2CO3中NaCl 雜質(zhì)的含量由于乙醇洗滌有顯著降低，其脫除率高達(dá)94.33 wt.%，而后隨著洗滌次數(shù)的增加，NaCl 的脫除率變化很小。因此，1 次洗滌就能夠達(dá)到良好的雜質(zhì)脫除效果。另外，多次洗滌對(duì)Na2CO3的產(chǎn)率影響不大。

圖2 洗滌次數(shù)對(duì)NaCl的去除率（A）及對(duì)Na2CO3產(chǎn)率（B）的影響

無(wú)水乙醇對(duì)NaHCO3浸潤(rùn)時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)NaCl脫除率及終產(chǎn)物Na2CO3產(chǎn)率的影響如圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)洗滌時(shí)間由2 min 提升到3 min 時(shí)，NaCl 的脫除率有較大提升；但隨著浸潤(rùn)時(shí)間的延長(zhǎng)，終產(chǎn)物中NaCl 含量略微降低，Na2CO3產(chǎn)率略有下降（見(jiàn)圖3B）。因此，選取3 min為最佳洗滌時(shí)間開(kāi)展后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖3 洗滌時(shí)間對(duì)NaCl的去除率（A）及Na2CO3產(chǎn)率（B）的影響

洗液溫度對(duì)NaCl 從NaHCO3中的脫除率及Na2CO3產(chǎn)率有很大的影響。隨著洗液溫度的升高，NaCl 的脫除率開(kāi)始不斷增高，但最后逐漸趨于平緩（如圖4A所示）。當(dāng)洗液溫度由0 ℃提升到50 ℃，NaCl的脫除率由96.92 wt.%提升到99.43 wt.%。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，隨著洗液溫度的升高，NaHCO3在乙醇中的溶解度也大幅度增加，導(dǎo)致Na2CO3的產(chǎn)率大幅度降低（由64.65%降到51.77%，如圖4B 所示）。由于20 ℃時(shí)，乙醇洗滌使得NaCl 脫除率已經(jīng)能夠達(dá)到98.96 wt.%，同時(shí)Na2CO3的產(chǎn)率降低不大，因此，從節(jié)能及安全等綜合因素考慮，20 ℃完全可以作為最佳溫度條件開(kāi)展后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖4 洗液溫度對(duì)NaCl的去除率（A）及Na2CO3產(chǎn)率（B）的影響

乙醇溶液的濃度對(duì)NaCl 脫除率及Na2CO3產(chǎn)率的影響很大，這主要是由于NaCl 和NaHCO3在水中都有著較高的溶解性。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)乙醇濃度由100 wt.%降低到98 wt.%時(shí)，NaCl 脫除率反而略有下降（從96.65 wt.%降到95.06 wt.%，如圖5A所示）。其中的原因可能是隨著濃度的降低，乙醇溶液的密度在逐漸增大，乙醇浸潤(rùn)NaHCO3的程度在逐漸減弱，導(dǎo)致NaCl的脫除率略有下降。但隨著乙醇濃度繼續(xù)降低（由98 wt.%降低到90 wt.%），NaCl 的脫除率又大幅度上升，由95.06 wt.%提升到98.96 wt.%。由于被90 wt.%乙醇洗滌后，產(chǎn)物中NaCl 的含量已經(jīng)很低，如果繼續(xù)降低乙醇溶液的濃度實(shí)際上意義已經(jīng)不大。事實(shí)證明，當(dāng)乙醇濃度降到80 wt.%以下時(shí)，終產(chǎn)物Na2CO3的產(chǎn)率將會(huì)受到很大影響（如圖5B 所示）。因此，90 wt.%可以被視為最佳洗液濃度。

圖5 洗液濃度對(duì)NaCl的去除率（A）及Na2CO3產(chǎn)率（B）的影響

3.對(duì)不同階段合成產(chǎn)物洗滌效果的實(shí)驗(yàn)

課題組對(duì)潮濕中間產(chǎn)物NaHCO3（A）、干燥的中間產(chǎn)物NaHCO3（B）及干燥的終產(chǎn)物Na2CO3（C）進(jìn)行了乙醇溶液?jiǎn)巫兞孔罴呀M合實(shí)驗(yàn)條件下的洗滌，結(jié)果如表2所示。在潮濕NaHCO3試樣中，絕大部分Cl-和Na+能夠以游離的離子形式被乙醇溶液快速洗滌掉，此時(shí)NaCl 的最高脫除率達(dá)到98.96 wt.%。而在干燥的NaHCO3和Na2CO3試樣中，部分Cl-和Na+將以NaCl 分子形式緊密結(jié)合在一起，很難被洗除。因此，NaCl 脫除最佳洗滌對(duì)象是經(jīng)過(guò)減壓抽濾后潮濕的NaHCO3試樣。

表2 洗滌步驟對(duì)NaCl脫除率及Na2CO3產(chǎn)率的影響

通過(guò)上述系列單變量實(shí)驗(yàn)探究，我們得到了以乙醇為洗滌液的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模聯(lián)合制堿法純堿中NaCl 最佳洗滌脫除條件：對(duì)潮濕的中間產(chǎn)物NaHCO3進(jìn)行洗滌，m乙醇/m反應(yīng)物=3/1、洗滌次數(shù)1 次、洗滌浸潤(rùn)時(shí)間3 min、洗液溫度20 ℃，洗滌液濃度90 wt.%。在該洗滌條件下，雜質(zhì)NaCl 的最大脫除率可以達(dá)到98.96 wt.%，Na2CO3產(chǎn)率為63.55%。

4.洗滌劑種類對(duì)洗滌效果的影響

在最佳洗滌條件下，我們比較了甲醇、乙醇、正丁醇、異丁醇四種極性不同的有機(jī)溶劑（100 wt.%）對(duì)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模聯(lián)合制堿法中間產(chǎn)物NaHCO3中NaCl 的洗脫效果及洗滌過(guò)程對(duì)終產(chǎn)物Na2CO3產(chǎn)率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，洗滌劑極性與NaCl 脫除率之間有著規(guī)律性的變化關(guān)系。在相同洗滌條件下，洗滌劑極性越高，NaCl 的脫除率越高，呈現(xiàn)出同向變化關(guān)系。

表3 洗滌劑極性對(duì)NaCl脫除率及Na2CO3產(chǎn)率的影響

5.乙醇洗液的回收

我們對(duì)洗滌后的乙醇溶液進(jìn)行了回收（采用旋蒸法），以利于乙醇的重新使用。結(jié)果表明，4 次重復(fù)使用后，乙醇的回收率能夠達(dá)到89.70 wt.%（見(jiàn)表4），大大節(jié)約了實(shí)驗(yàn)成本。

表4 4次重復(fù)使用后乙醇洗液的回收率

三、本教改實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)及教學(xué)實(shí)施運(yùn)行思路

1.本教改實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）對(duì)中學(xué)和大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)“碳酸鈉的制備”方案進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種切實(shí)可行的純堿制備過(guò)程中脫除NaCl 新方法。旨在建立和培養(yǎng)學(xué)生合成過(guò)程中化合物的純化思想和能力。

（2）與前人提出的純堿制備過(guò)程中NaCl脫除方法相比，本純化方法具有操作簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保、成本低廉且效果顯著的特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)方案不但能夠作為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目“碳酸鈉的合成”中的一個(gè)NaCl 脫除步驟進(jìn)行，而且還能夠開(kāi)發(fā)成“化合物制備—產(chǎn)物純化及碳酸鈉中雜質(zhì)NaCl含量的測(cè)定—總堿度的測(cè)定”一個(gè)全新的綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

（3）本論文實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)也為工業(yè)純堿生產(chǎn)過(guò)程中NaCl脫除提供了一種新的思路和方法。

2.教學(xué)實(shí)施運(yùn)行思路

本實(shí)驗(yàn)屬于對(duì)已有無(wú)機(jī)化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)“碳酸鈉的制備”的改進(jìn)，涉及到無(wú)機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的化合物制備、減壓抽濾、樣品洗滌純化、滴定等操作和知識(shí)點(diǎn)。本文中所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)“碳酸鈉的制備”方案的改良，同時(shí)也適合單獨(dú)開(kāi)展產(chǎn)物純化實(shí)驗(yàn)，在現(xiàn)有的“碳酸鈉的制備”“雙指示劑法測(cè)定碳酸鈉的總堿度”兩個(gè)現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上形成“化合物制備—產(chǎn)物純化及碳酸鈉中雜質(zhì)NaCl 含量的測(cè)定—總堿度的測(cè)定”的完整聯(lián)合制堿法綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目。

如果作為完整的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，建議整個(gè)教學(xué)過(guò)程分5個(gè)環(huán)節(jié)完成：

（1）NaHCO3樣品的制備。該實(shí)驗(yàn)步驟需要1.0學(xué)時(shí)；

（2）NaHCO3樣品的洗滌。利用本論文得到的最佳組合條件對(duì)NaHCO3樣品進(jìn)行洗滌。該實(shí)驗(yàn)步驟需要0.5學(xué)時(shí)；

（3）灼燒制備Na2CO3樣品。該實(shí)驗(yàn)步驟需要1.0學(xué)時(shí)；

（4）汞量法測(cè)定樣品中氯化物含量。該實(shí)驗(yàn)步驟需要2.0學(xué)時(shí)；

（5）Na2CO3中總堿度的測(cè)定。該實(shí)驗(yàn)步驟需要2.0學(xué)時(shí)。

四、結(jié)論

本論文對(duì)中學(xué)和大學(xué)化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“碳酸鈉的合成”實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行了改進(jìn)，探索了Na2CO3制備過(guò)程中NaCl 雜質(zhì)的去除新方案。研究發(fā)現(xiàn)，利用90%乙醇作為洗液，在常溫條件下對(duì)Na2CO3中雜質(zhì)的最大去除率達(dá)到98.96 wt.%，Na2CO3產(chǎn)率達(dá)到63.55%，乙醇回收率高達(dá)89.70 wt.%。利用乙醇作為洗液去除NaCl，具有高效、無(wú)毒特點(diǎn)，是一種可持續(xù)、綠色環(huán)保的純堿純化方法。

本實(shí)驗(yàn)不僅為化學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“碳酸鈉的制備”提供了切實(shí)可行的產(chǎn)物純化方法，同時(shí)也給工業(yè)純堿生產(chǎn)提供了一個(gè)產(chǎn)物純化新思路。