همه چیز درباره کربنات سدیم!

کربنات سدیم (Na₂CO₃) که با نام های کربنات دو سود، سودا اش (soda ash)، کریستال سودا (soda crystals) و سودای شستشو (washing soda) نیز شناخته می شود، یکی از مهمترین مواد شیمیایی صنعتی بوده که به طور وسیعی در تولید دیگر محصولات قلیایی، نمک های سدیم و … به کار می رود. سودا اش نام متداول کربنات سدیم بدون آب است که به طور صنعتی کاربرد دارد. سدیم کربنات یا سودا اش، در واقع نمک سدیم اسید کربنیک است که در حالت عادی به صورت جامد سفید رنگ می باشد.

سدیم کربنات در مقیاس صنعتی از طریق فرآیند سولوی و با استفاده از سنگ آهک (کلسیم کربنات)، آمونیاک و نمک (سدیم کلرید) تولید می شود. از مهمترین کاربردهای آن می توان به استفاده از این ماده در صنعت تولید شیشه اشاره نمود. خلوص کربنات سدیم معمولاً بر اساس مقدار سدیم اکسید (Na₂O) گزارش می شود، به طوری که هر یک کیلوگرم سدیم کربنات دارای 0/585 کیلوگرم اکسید سدیم می باشد.

سدیم کربنات دارای یک بنیان آنیونی (CO₃^-2) و دو بنیان کاتیونی (⁺Na) می باشد. شکل های کریستالی این ماده به صورت مونو هیدرات، هپتا هیدرات و دکا هیدرات می باشد. شکل مونو هیدرات آن دارای 85 درصد وزنی سدیم کربنات بوده که به صورت کریستال های کوچک از کریستالیزاسیون محلول اشباع آن در دمای بالاتر از 35 درجه سانتی گراد به دست می آید. شکل هپتا هیدرات آن دارای 45 درصد وزنی سدیم کربنات بوده که در دمای 32 تا 35 درجه سانتی گراد به دست می آید، و شکل دکا هیدرات آن که washing soda نیز نامیده می شود، دارای 37 درصد وزنی سدیم کربنات است و در دمای پایین تر از 32 درجه سانتی گراد به دست می آید.

معمولاً سدیم کربنات به صورت هپتا هیدرات وجود دارد که به سهولت به شکل پودر سفید مونو هیدرات در می آید. کربنات سدیم دارای خاصیت قلیایی نسبتاً قوی بوده و از خاکستر بسیاری از گیاهان قابل استحصال است. پیشینه مصرف این ماده توسط انسان به بیش از 5000 سال باز می گردد، به طوری که مصریان باستان از شکل طبیعی نمک قلیایی ترکیبی از سدیم کربنات دکا هیدرات و سدیم بی کربنات (سدیم هیدروژن کربنات یا جوش شیرین) استفاده می کردند. آن ها این نمک قلیایی را به عنوان صابون شستشو به کار می بردند، همچنین در تولید شیشه نیز از آن بهره می بردند.

در سال 1791 میلادی شیمیدان فرانسوی نیکلاس لبانس توانست کربنات سدیم را با استفاده از نمک سدیم کلرید، سولفوریک اسید و سنگ آهک (کلسیم کربنات) در حضور زغال تهیه نماید. در روش پیشنهادی وی ابتدا نمک سدیم کلرید در سولفوریک اسید جوشانده می شد تا به سدیم سولفات و گاز هیدروژن کلرید تبدیل شود، سپس سدیم سولفات تولید شده به همراه سنگ آهک و زغال خرد شده حرارت داده می شد تا سدیم کربنات حاصل گردد. لازم به ذکر است که گاز هیدروژن کلرید (هیدروکلریک اسید) حاصل از این واکنش به عنوان یک منبع آلودگی هوا به شمار می آمد، اما با این وجود از این روش برای تولید کربنات سدیم تا اواخر دهه 1880 میلادی استفاده می شد.

خواص فیزیکی و شیمیایی سدیم کربنات

سدیم کربنات دارای نقطه ذوب 851 درجه سانتی گراد می باشد، و در دماهای بالاتر تجزیه می شود؛ لذا نقطه جوش برای آن تعریف نمی شود. حلالیت سدیم کربنات در آب در دمای 20 درجه سانتی گراد برابر 220 گرم در لیتر است.

سایر خواص فیزیکی و شیمیایی

از واکنش های شیمیایی سدیم کربنات می توان به واکنش آن با کربنیک اسید (کربن دی اکسید و آب) که منجر به تولید سدیم بی کربنات (سدیم هیدروژن کربنات) می شود، اشاره نمود.

همچنین سدیم بی کربنات در حضور سدیم هیدروکسید (سود پرک)، سدیم کربنات تولید می کند.

فرآیند های تولید سدیم کربنات

به طور کلی دو روش برای تولید سدیم کربنات وجود دارد که عبارتند از:
1- سنتز شیمیایی سدیم کربنات به روش سولوی (Solvay)
2- استحصال سدیم کربنات از منابع طبیعی

فرآیند تولید کربنات سدیم به روش سولوی

در سال 1861 میلادی شیمیدان بلژیکی به نام ارنست سولوی، روشی را برای سنتز سدیم کربنات معرفی نمود که در آن از نمک سدیم کلرید و سنگ آهک (کلسیم کربنات) به عنوان مواد اولیه و از آمونیاک به عنوان کاتالیزور استفاده می شود.

تولید کربنات سدیم به روش سولوی

مرحله اول: تولید سدیم بی کربنات (سدیم هیدروژن کربنات)

در این روش ابتدا نمک سدیم کلرید را در آب حل می کنند تا محلول اشباع نمک به دست آید، سپس انجام واکنش به وسیله عبور محلول اشباع نمک از درون دو برج متوالی می باشد که در برج اول حباب های آمونیاک از پایین برج به سمت بالا آمده و توسط محلول آب نمک جذب و حل می شود. در برج دوم با تزریق گاز دی اکسید کربن، حباب های این گاز از محلول آب نمک آمونیاکی عبور کرده و سدیم بی کربنات (سدیم هیدروژن کربنات یا جوش شیرین) حاصل می شود.

دی اکسید کربن مورد نیاز این مرحله از تجزیه حرارتی سنگ آهک (کلسیم کربنات) به دست می آید.

در اثر حرارت دادن سنگ آهک، علاوه بر دی اکسید کربن، اکسید کلسیم نیز به دست می آید که از آن در بخش بازیافت آمونیاک استفاده خواهد شد. محصول حاصل از این فرآیند سدیم بی کربنات و محلول آمونیوم کلرید می باشد که با عبور از فیلتر، بی کربنات سدیم آن جدا شده و به مرحله بعدی تولید کربنات سدیم منتقل می شود.

مرحله دوم: تولید سدیم کربنات

بی کربنات سدیم حاصل از فرآیند مرحله اول، به روش حرارتی (کلسیناسیون) در دمای حدود 200 درجه سانتی گراد، با از دست دادن آب و دی اکسید کربن، به کربنات سدیم تبدیل می شود. لازم به ذکر است که دی اکسید کربن حاصل شده در این مرحله به منظور استفاده مجدد، به مرحله اول برگشت داده می شود.

مرحله سوم: بازیافت آمونیاک

در بخش جانبی این فرآیند، آمونیوم کلرید (نشادر) با اکسید کلسیم حاصل از فرآیند تجزیه حرارتی سنگ آهک (کلسیم کربنات)، واکنش داده می شود و آمونیاک احیا شده و به مرحله اول واکنش برگشت داده می شود. همچنین محصول جانبی این فرآیند، کلرید کلسیم می باشد که قابل فروش می باشد.
(لازم به ذکر است با توجه به شرایط خاک کشاورزی در کشورهای مختلف، می توان به جای بازیافت آمونیاک محصول آمونیوم کلرید را مستقیماً به عنوان یک کود شیمیایی به فروش رساند.)

نمایشگر ویدیو

مواد اولیه در فرآیند تولید سدیم کربنات به روش سولوی

مواد اولیه مورد نیاز برای تولید کربنات سدیم به روش سولوی عبارتند از: سنگ آهک (کلسیم کربنات)، نمک سدیم کلرید و آمونیاک

سنگ آهک (کلسیم هیدروکسید)

سنگ آهک (CaCO₃) مصرفی در فرآیند تولید سدیم کربنات می بایست دارای خلوص حداقل 84 درصد باشد. اما از آنجا که به توجه به کیفیت معدن، خلوص سنگ آهک متفاوت می باشد، لذا میزان مصرف آن در فرآیند تولید کربنات سدیم متفاوت می باشد. میزان مصرف آن با توجه به کیفیت سنگ آهک (84 درصد تا 98 درصد) در حدود 1820- 1090 کیلوگرم به ازای تولید هر تن محصول برآورد می شود.

نمک سدیم کلرید

نمک مصرفی در این فرآیند نیز بسته به کیفیت آن در حدود 1800- 1530 کیلوگرم به ازای تولید هر تن محصول در نظر گرفته می شود.

آمونیاک

از آنجا که آمونیاک در این فرآیند مصرف نمی شود و نقش کاتالیزور را دارد، لذا در فرآیند بازیافت به چرخه باز می گردد. اما فرض می شود که آمونیاک در حدود 0/5 درصد در فرآیند مصرف شده باشد، بر این اساس با توجه به این که میزان مصرف آمونیاک در فرآیند تولید کربنات سدیم 550 کیلوگرم به ازای هر تن محصول می باشد، لذا میزان مصرف آن در حدود 2/75 کیلوگرم به ازای هر تن محصول محاسبه می گردد.