کربنات سدیم چیست؟ بررسی 8 کاربرد مهم در صنایع مختلف

خواص فیزیکی و شیمیایی سدیم کربنات

ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی

سدیم کربنات یک ترکیب شیمیایی جامد با نقطه ذوب 851 درجه سانتی‌گراد است و در دماهای بالاتر تجزیه می‌شود؛ به همین دلیل، نقطه جوش مشخصی برای آن تعریف نمی‌شود. این ترکیب در آب محلول بوده و حلالیت آن در دمای 20 درجه سانتی‌گراد برابر 220 گرم در لیتر است.

از مهم‌ترین واکنش‌های شیمیایی سدیم کربنات می‌توان به ترکیب آن با کربنیک اسید (حاصل از واکنش دی‌اکسید کربن و آب) اشاره کرد که منجر به تولید سدیم بی‌کربنات (سدیم هیدروژن کربنات) می‌شود. همچنین، سدیم بی‌کربنات در حضور سدیم هیدروکسید (سود پرک) مجدداً به سدیم کربنات تبدیل می‌شود.

روش‌های تولید کربنات سدیم: از فرآیندهای صنعتی تا منابع طبیعی

کربنات سدیم، که به نام خاکستر سودا نیز شناخته می‌شود، یک ترکیب شیمیایی پرکاربرد با فرمول Na₂CO₃ است. این ماده به‌صورت پودری سفید و کریستالی در صنایع مختلف از جمله شیشه‌سازی، تولید مواد شوینده، تصفیه آب و صنایع شیمیایی استفاده می‌شود. روش‌های مختلفی برای تولید این ترکیب وجود دارد که شامل فرآیند صنعتی، استخراج طبیعی و تولید مصنوعی است. در ادامه به بررسی هر یک از این روش‌ها می‌پردازیم.

۱. تولید کربنات سدیم از طریق فرآیند سالوی (Solvay)

یکی از رایج‌ترین روش‌های تولید کربنات سدیم، فرآیند سالوی است که در قرن نوزدهم توسعه یافت و همچنان در مقیاس صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فرآیند شامل چندین مرحله شیمیایی برای تبدیل کلرید سدیم (نمک طعام) به کربنات سدیم است.

مراحل فرآیند سالوی:

1. تولید دی‌اکسید کربن و آهک:
   
   • سنگ آهک (کربنات کلسیم) حرارت داده می‌شود تا به آهک (اکسید کلسیم) و دی‌اکسید کربن تجزیه شود.
2. تولید کربنات آمونیوم:
   
   • دی‌اکسید کربن حاصل با آمونیاک ترکیب شده و محلولی از کربنات آمونیوم تشکیل می‌دهد.
3. تولید بی‌کربنات سدیم:
   
   • محلول کربنات آمونیوم با کلرید سدیم واکنش داده و بی‌کربنات سدیم رسوب می‌کند.
4. تبدیل بی‌کربنات سدیم به کربنات سدیم:
   
   • بی‌کربنات سدیم حرارت داده می‌شود تا به کربنات سدیم، دی‌اکسید کربن و آب تجزیه شود.
5. بازیافت آمونیاک:
   
   • کلرید آمونیوم تولید شده در مراحل قبل با آهک واکنش داده و مجدداً آمونیاک بازیابی می‌شود.

مزایا و معایب فرآیند سالوی:

✅ استفاده مؤثر از مواد اولیه
✅ قابلیت بازیافت آمونیاک
❌ نیاز به مصرف انرژی بالا
❌ تولید محصولات جانبی مانند کلرید کلسیم

۲. تولید کربنات سدیم از طریق استخراج ترونا

ترونا یک ماده معدنی طبیعی است که حاوی کربنات سدیم به‌صورت خام است. این روش در مناطقی که ذخایر غنی از ترونا وجود دارد، به‌ویژه در ایالت وایومینگ آمریکا، به‌عنوان جایگزینی برای فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مراحل استخراج ترونا:

1. استخراج سنگ ترونا از معادن
2. خردایش و شستشوی ماده معدنی
3. حرارت دادن برای جداسازی کربنات سدیم از ناخالصی‌ها
4. تصویه و بسته‌بندی کربنات سدیم برای عرضه به بازار

مزایا و معایب استخراج ترونا:

✅ فرآیندی کم‌هزینه‌تر و کم‌مصرف‌تر از نظر انرژی
✅ عدم نیاز به مواد شیمیایی اضافی
❌ وابستگی به موقعیت جغرافیایی معادن
❌ نیاز به تجهیزات معدنی سنگین

۳. تولید مصنوعی کربنات سدیم

در کنار روش‌های صنعتی و استخراجی، تولید مصنوعی کربنات سدیم نیز امکان‌پذیر است. این روش‌ها عمدتاً در مواردی استفاده می‌شوند که نیاز به خلوص بالای کربنات سدیم وجود دارد.

روش‌های تولید مصنوعی:

🔹 فرآیند هو (Hou Process):

• واکنش کلرید سدیم، اسید سولفوریک و آمونیاک برای تولید بی‌کربنات سدیم
• حرارت دادن بی‌کربنات سدیم برای تولید کربنات سدیم

🔹 فرآیند لوبلان (Leblanc Process):

• واکنش کلرید سدیم با اسید سولفوریک برای تولید سولفات سدیم
• ترکیب سولفات سدیم با زغال‌سنگ و سنگ‌آهک برای تولید کربنات سدیم

🔹 فرآیند سودا آمونیاک:

• واکنش کلرید سدیم با آمونیاک و دی‌اکسید کربن
• تولید بی‌کربنات آمونیوم که سپس به کربنات سدیم تبدیل می‌شود

مزایا و معایب تولید مصنوعی:

✅ امکان تولید با خلوص بالا
✅ مناسب برای صنایع حساس مانند داروسازی
❌ هزینه بالای مواد اولیه
❌ نیاز به تجهیزات تخصصی

تهیه کربنات سدیم از جوش شیرین

جوش شیرین یا همان سدیم بی کربنات را با حرارت دادن در یک اجاق به مدت یک ساعت می توان به این ترکیب تبدیل نمود. حرارت دادن باعث می شود تا کربن دی اکسید و آب از آن خارج شوند. واکنش شیمیایی این فرآیند به صورت زیر است :

2NaHCO3 (S) → Na2CO3 (S) + CO2 (g) + H2O (g)

روش‌های مختلفی برای تولید کربنات سدیم وجود دارد که هرکدام مزایا و معایب خاص خود را دارند. فرآیند سالوی رایج‌ترین روش صنعتی است، اما استخراج ترونا به‌عنوان یک جایگزین کم‌مصرف‌تر از نظر انرژی در برخی کشورها ترجیح داده می‌شود. همچنین، روش‌های مصنوعی برای تولید کربنات سدیم با خلوص بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. با افزایش تقاضا برای این ماده در صنایع مختلف، انتظار می‌رود که فناوری‌های جدید و بهینه‌تری برای تولید آن توسعه یابد.

مواد اولیه در فرآیند تولید سدیم کربنات به روش سولوی

1- سنگ آهک (کلسیم کربنات)

• سنگ آهک مصرفی باید حداقل 84% خلوص داشته باشد.
• بسته به کیفیت معدن، خلوص آن متفاوت بوده و میزان مصرف آن بین 1090 تا 1820 کیلوگرم به ازای هر تن سدیم کربنات متغیر است.

2- نمک سدیم کلرید

• میزان مصرف سدیم کلرید بسته به کیفیت آن، 1530 تا 1800 کیلوگرم به ازای هر تن محصول در نظر گرفته می‌شود.

3- آمونیاک

• آمونیاک در این فرآیند مصرف نمی‌شود و نقش کاتالیزور دارد.
• با این حال، فرض می‌شود که 0.5٪ از آن در فرآیند مصرف شود.
• میزان مصرف آن 2.75 کیلوگرم به ازای هر تن محصول محاسبه می‌شود.