Каустична сода (гідроксид натрію) – найпоширеніший луг, хімічна формула NaOH. В рік у світі виробляється і споживається понад 57 мільйонів тонн їдкого натру.
Каустична сода – сильна хімічна основа (до сильних основ відносять гідроксиди, молекули яких повністю дисоціюють у воді), до них відносять гідроксиди лужних і лужноземельних металів підгруп Iа і IIа періодичної системи, KOH (їдке калі), Ba(OH)2 (їдкий барит), LiOH, RbOH, CsOH. Лужність (основність) визначається валентністю металу, радіусом зовнішньої електронної оболонки та електрохімічною активністю: чим більший радіус електронної оболонки (збільшується з порядковим номером), тим легше метал віддає електрони, і тим вища його електрохімічна активність і тим лівіше розташовується елемент в електрохімічному ряду активності металів, в якому за нуль прийнята активність водню.
Каустична сода – це товарна назва речовини гідроксид натрію. Її вживають переважно в промислових та бізнесових колах.
Каустична сода: методи виробництва
Вапняний метод
Вапняний метод отримання каустичної соди полягає у взаємодії розчину соди з вапняним молоком при температурі близько 80 °С. Цей процес називається каустифікацією, він проходить за реакцією:
Na2CО3 + Са(ОН)2 = 2NaOH + CaCО3
У результаті реакції виходить розчин гідроксиду натрію і осад карбонату кальцію. Карбонат кальцію відділяється від розчину, який випарюється до отримання розплавленого продукту, що містить близько 92% мас. каустичної соди. Потім NaOH плавлять розливають в залізні барабани, де він остиває.
Феритний метод
Феритний метод отримання каустичної соди складається з двох етапів:
Na2CО3 + Fe2О3 = Na2О ? Fe2О3 + CО2
Na2О ? Fe2О3-f H2О = 2NaOH + Fe2O3
Перша реакція – це процес спікання кальцинованої соди з оксидом заліза при температурі 1100-1200 °С. При цьому утворюється ферит натрію і виділяється двоокис вуглецю. Далі ферит обробляють (витравлюють) водою за другою реакцією. Утворюється розчин гідроксиду натрію і осад Fe2O3, який після відділення його від розчину повертається в процес. Одержаний розчин каустичної соди містить близько 400 г/л NaOH. Його випарюють до отримання продукту, що містить близько 92% мас. NaOH, а потім отримують твердий продукт у вигляді гранул або пластівців.
Діафрагмовий метод
Найбільш поширеними є електрохімічні методи отримання каустичної соди, а найбільш простим, з електрохімічних методів, в плані організації процесу і конструкційних матеріалів для електролізера, є діафрагмовий метод отримання гідроксиду натрію.
Розчин кухонної солі в діафрагмовий електролізер безперервно подається в анодний простір і протікає через, як правило, сталеву катодну сітку на азбестовій діафрагмі, в яку, інколи, додають невелику кількість полімерних волокон.
У багатьох конструкціях електролізерів катод повністю занурений під шар аноліту (електроліту з анодного простору), а водень, що виділяється на катодній сітці, відводиться з під катода за допомогою газовідвідних труб, не проникаючи через діафрагму в анодний простір завдяки протитечії.
Протитечія – дуже важлива особливість будови діафрагмового електролізера. Саме завдяки протилежному потоку направленому з анодного простору в катодний через пористу діафрагму стає можливим роздільне одержання лугів і хлору. Протиточний потік розраховується так, щоб протидіяти дифузії і міграції OH- іонів в анодний простір. Якщо величина протитоку недостатня, тоді в анодному просторі у великих кількостях починає утворюватися гіпохлорит-іон (ClO-), який, потім, може окислюватися на аноді до хлорат-іона ClO3-. Утворення хлорат-іона серйозно знижує вихід по струму хлору і є основним побічним процесом в цьому методі отримання каустичної соди. Так само шкодить і виділення кисню, яке до того ж, веде до руйнування анодів і, якщо вони з вуглецевих матеріалів, попаданню в хлор домішок фосгену.
Анод:
2Cl-- 2е-? Cl2 ? - основний процес
2H2O - 2e-? O2 ? + 4H+
6СlО-+ 3Н2О - 6Е-? 2СlО3-+ 4Сl-+ 1,5O2 ? + 6Н+
Катод:
2H2O + 2e-? H2 ? + 2OH-- основний процес
СlО-+ Н2О + 2е-? Сl-+ 2ОН-
СlО3-+ 3Н2O + 6е-? Сl-+ 6OН-
Як анод в діафрагмових електролізерах може використовуватися графітовий або вугільний електроди. На сьогодні їх в основному замінили титанові аноди з окисно-рутенієвим-титановим покриттям або інші маловитратні аноди.
На наступній стадії електролітичний луг упарюють і доводять вміст у ньому каустичної соди до товарної концентрації 42-50% мас. відповідно до стандарту.
Кухонна сіль, сульфат натрію та інші домішки при підвищенні їх концентрації в розчині вище їх межі розчинності випадають в осад. Розчин їдкого лугу декантують від осаду і передають в якості готового продукту на склад або продовжують стадію упарювання до отримання твердого продукту, з наступним плавленням або грануляцією.
Зворотну кухонну сіль повертають назад в процес, готуючи з неї так званий зворотний розсіл. Від неї, щоб уникнути накопичення домішок в розчинах, перед приготуванням зворотного розсолу відокремлюють домішки.
Витрату аноліту заповнюють додаванням свіжого розсолу. Свіжий розсіл перед змішуванням його зі зворотним розсолом очищають від механічних суспензій і значної частини іонів кальцію і магнію.
Отриманий хлор відділяється від парів води, компримується і подається або на виробництво хлорвмісних продуктів, або на зріджування.
Завдяки відносній простоті і дешевизні діафрагмовий метод отримання каустичної соди досі широко використовується в промисловості.
Мембранний метод
Мембранний метод виробництва каустичної соди найбільш енергоефективний, однак складний в організації та експлуатації.
З точки зору електрохімічних процесів мембранний метод подібний до діафрагмового, але анодний і катодний простори повністю розділені непроникною для аніонів катіонообмінною мембраною. Завдяки цій властивості можливо отримувати більш чисті, ніж у випадку з діафрагмовим методом, луги. Тому в мембранному електролізері, на відміну від діафрагмового, не один потік, а два.
У анодний простір надходить, як і в діафрагмовому методі, потік розчину солі. А в катодний – католіт (32%-ий розчин каустичної соди). З катодного простору випливає потік збідненого аноліту, що містить так само домішки гіпохлорит- і хлорат-іони та хлор, а з анодного – луг і водень, які практично не містять домішок і близькі до товарної концентрації, що зменшує витрати енергії на їх випарювання і очищення.
Каустична сода, що отримується за допомогою мембранного електролізу, практично не поступається за якістю соді, яка отримується за допомогою методу з використанням ртутного катоду і поступово замінює луг, отримуваний ртутним методом.
Однак вихідний розчин солі (як свіжий так і оборотний) і вода попередньо максимально очищуються від будь-яких домішок. Таке ретельне очищення визначається високою вартістю полімерних катіонообмінних мембран та їх вразливістю до домішок в живильному розчині.
Крім того, обмежена геометрична форма а так само низька механічна міцність і термічна стійкість іонообмінних мембран багато в чому визначають порівняно складні конструкції установок мембранного електролізу. З тієї ж причини мембранні установки вимагають найбільш складних систем автоматичного контролю та управління.
Україна може пишатися наявністю мембранного електролізу в місті Калуш. Це виробництво введене в експлуатацію в 2010 році і поки є лідером за якістю отриманої каустичної соди. Хлор, який неодмінно отримується як супутній продукт, в Калуші використовується для хлорування етилену, за допомогою чого отримують вінілхлорид, який потім полімеризують і отримують високоякісну полівінілхлоридну смолу. Так у наших домівках з’являються надійні та довговічні металопластикові вікна та двері.
Ртутний метод з рідким катодом
У ряду електрохімічних методів одержання лугів найефективнішим способом є електроліз з ртутним катодом. Луги, отримані при електролізі з рідким ртутним катодом, значно чистіші від отриманих діафрагмовим способом (для деяких виробництв це критично, наприклад, у виробництві штучних волокон можна застосовувати тільки високочистий каустик), а в порівнянні з мембранним методом організація процесу при отриманні лугу ртутним методом набагато простіша.
Установка для ртутного електролізу складається з електролізера, розкладача амальгами і ртутного насоса, об'єднаних між собою ртутнопроводними комунікаціями.
Катодом електролізера служить потік ртуті, який прокачується насосом. Аноди – графітові, вугільні або маловитратні. Разом з ртуттю через електролізер безперервно тече потік живлячої кухонної солі.
На аноді відбувається окислення іонів хлору з електроліту, і виділяється хлор:
2Cl-- 2е-? Cl20 ? - основний процес
2H2O - 2e-? O2 ? +4H+
6СlО-+ 3Н2О - 6Е-? 2СlО3-+ 4Сl-+ 1,5O2 ? + 6Н+
Хлор і аноліт відводяться з електролізера. Аноліт, що виходить з електролізера, донасичують свіжим галітом, виділяють з нього домішки, а також вимивають із анодів і конструкційних матеріалів, і повертають на електроліз. Перед донасичуванням з аноліту видаляють розчинений у ньому хлор.
На катоді відновлюються іони натрію, які утворюють слабкий розчин натрію в ртуті (амальгаму натрію):
Na+ + е = Na0
nNa+ + nHg- = Na + Hg
Амальгама безупинно перетікає з електролізера в розкладач амальгами. У розкладач також безперервно подається високо очищена вода. У ньому амальгама натрію в результаті самовільного хімічного процесу майже повністю розкладається водою з утворенням ртуті, розчину каустику і водню:
Na + Hg + Н2O = NaOH + 1/2Н2 ? + Hg
Отриманий таким чином розчин каустику, що є товарним продуктом, практично не містить домішок. Ртуть майже повністю звільняється від натрію і повертається в електролізер. Водень відводиться на очистку.
Проте, повне очищення розчину лугу від залишків ртуті практично неможливе, тому цей метод поєднаний з витоками металевої ртуті та її парів.
Зростаючі вимоги до екологічної безпеки виробництв і дорожнеча металевої ртуті ведуть до поступового витіснення ртутного методу методами отримання каустичної соди з твердим катодом, особливо мембранним методом.
Застосування каустичної соди
Їдкий натр застосовується в безлічі галузей промисловості і для побутових потреб.
- Каустична сода застосовується у целюлозно-паперовій промисловості для делігніфікації (сульфатний процес) целюлози, у виробництві паперу, картону, штучних волокон, деревно-волоконних плит;
- Для омилення жирів при виробництві мила, шампуню та інших миючих засобів. У давнину під час прання у воду додавали золу, і, мабуть, господині звернули увагу, що якщо зола містить жир, що потрапив у вогнище під час приготування їжі, то посуд добре миється. Про професію миловара (сапонаріуса) вперше згадує приблизно в 385 р. н. е. Теодор Прісціанус. Араби варили мило з олій та соди з VII століття, сьогодні мила виробляються тим же способом, що і 10 століть тому. В даний час продукти на основі гідроксиду натрію (з додаванням гідроксиду калію, нагріті до 50-60 градусів Цельсія, застосовуються у сфері промислової мийки для очищення виробів з нержавіючої сталі від жиру та інших масляних речовин, а також залишків механічної обробки.
- У хімічних галузях промисловості – для нейтралізації кислот і кислотних оксидів, як реагент або каталізатор в хімічних реакціях, в хімічному аналізі для титрування, для травлення алюмінію і у виробництві чистих металів, в нафтопереробці – для виробництва олій.
- Для виготовлення біодизельного палива, яке одержують з рослинних масел і використовують для заміни звичайного дизельного палива. Для одержання біодизеля до дев'яти масових одиниць рослинної олії додається одна масова одиниця спирту (тобто дотримується співвідношення 9:1), а також лужний каталізатор (NaOH). Отриманий ефір (головним чином лінолевої кислоти) відрізняється гарною займистістю, забезпечується високим цетановим числом. Цетанове число умовна кількісна характеристика самозаймання дизельних палив в циліндрі двигуна (аналог октанового числа для бензинів). Якщо для мінерального дизпалива характерний показник у 50-52%, то метиловий ефір вже спочатку відповідає 56-58% цетану. Сировиною для виробництва біодизеля можуть бути різні рослинні олії: рапсова, соєва та інші, крім тих, у складі яких високий вміст пальмітинової кислоти (пальмова олія). При його виробництві в процесі етерифікації також утворюється гліцерин який використовується в харчовій, косметичній та паперовій промисловості, або переробляється в епіхлоргідрин за методом Solvay.
- В якості агента для розчинення засмічень каналізаційних труб, у вигляді сухих гранул або в складі гелів. Гідроксид натрію дезагрегує засмічення і сприяє легкому просуванню його далі по трубі.
- У цивільній обороні для дегазації і нейтралізації отруйних речовин, у тому числі зарину, в ребрізерах (ізолюючих дихальних апаратах (ІДА), для очищення повітря, що видихається від вуглекислого газу.
- Каустична сода також використовується в поєднанні з цинком для фокусу. Мідну монету кип'ятять у розчині гідроксиду натрію в присутності гранул металевого цинку, через 45 секунд, колір копійки стане сріблястим. Після цього копійку виймають з розчину і нагрівають у полум'ї пальника, де вона, практично моментально стає «золотою». Причини цих змін полягають в наступному: іони цинку вступають в реакцію з гідроксидом натрію (в нестачі) з утворенням Zn(OH)42- - який при нагріванні розкладається до металевого цинку і осідає на поверхні монети. А при нагріванні цинк і мідь утворюють золотистий сплав - латунь.
- Каустична сода також використовується для мийки прес-форм автопокришок.
- Каустчна сода також використовується для нелегального виробництва метамфетамінів та інших наркотичних засобів.
- У приготуванні їжі: для миття та очищення фруктів та овочів від шкірки, у виробництві шоколаду і какао, напоїв, морозива, фарбування карамелі, для розм'якшення маслин і надання їм чорного забарвлення, при виробництві хлібобулочних виробів. Зареєстровано в якості харчової добавки E524.
- Деякі страви готуються із застосуванням каустику: лютефіск – скандинавське блюдо з риби – сушена тріска вимочується 5-6 днів в їдкому лузі і набуває м'якої, желеподібної консистенції; брецели – німецькі рогалики – перед випічкою їх обробляють у розчині каустичної соди, яка сприяє утворенню унікальної хрусткої скоринки.
- У косметології для видалення ороговілих ділянок шкіри: бородавок, папілом.
За матеріалами: wikipedia.org.
Читайте також:
