سدیم کربنات (Sodium carbonate) آزمایشگاهی

کربنات سدیم (Sodium carbonate) که با نام تجاری سودا اش (Soda ash) نیز شناخته می شود دارای دو فرم سنگین و سبک است که در ادامه به مشخصات هر کدام و تفاوت های آن ها خواهیم پرداخت. از کاربرد های این محصول می توان به استفاده در ساخت شیشه و محصولات شیشه ای ، تولید مواد شیمیایی ، تصفیه آب و … اشاره کرد .

تفاوت کربنات سدیم سبک و سنگین

محصول فوق در دو گرید سبک و سنگین ( دانسیته بالا) تولید و مورد استفاده قرار می گیرد. فرم سبک آن ابتدا به وجود می آید و سپس از فرم سبک شده فرم سنگین آن به وجود می آید. گرید سبک ، کمتر از 0.5% سدیم کلرید دارد.

استفاده از کربنات سبک سدیم به طور سنتی جایی است که مواد شیمیایی به محلول نیاز دارند. نمودار زیر نشان دهنده تفاوت مقدار مورد استفاده از این ماده به صورت سنگین و سبک را نشان میدهد، دایره بیرونی مربوط به گرید سنگین و دایره درونی مربوط به گرید سبک است . 

50% از کل محصولات این ماده در تولید شیشه

18% در مواد شیمیایی

و 10% آن در صابون ها و مواد شوینده ها استفاده می شود.

فرایند تولید:

سودا اش از طریق روش های زیر تولید می شود

1-روش لبلان (روش قدیمی)

2- تولید از نمک معمولی

3-از محلول سیاه قلیایی حاصل از پسماند خمیر کاغذ

از زمانی که روش اول تولید سودا اش از سولفات سدیم کاملا منسوخ شد، روش دوم  فقط در تولید انبوه مورد استفاده قرار می گیرد.

در روش تولید دوم ،  NaCl  با محلول آمونیاک ، دی اکسید کربن و آب وارد عمل می شود.

در ادامه به شرح بیشتری از روش تولید سوم می پردازیم.

تولید از پساب خمیر کاغذ

روش سوم که استفاده از خمیر کاغذ می باشد فقط در تولید محدود و مقیاس کم کاربرد دارد.

در این روش سودا اش از پسماند خمیر کاغذ و صنایع کاغذ سازی، تهیه می گردد.

و در مقایسه با روش های دیگر ارزان تر می باشد.

در اثر گداختن قلیای مصرف شده ی حاصل از عملیتان خمیر کاغذ، ماده ی جامدی به دست می آید که ترکیبات اصلی آن شامل کربنات های سدیم، سدیم سولفید(Na₂S) و سولفات سدیم می باشد که حدود 60 درصد آن تنها شامل کربنات سدیم است. این ماده را به یک مخزن حل کننده می ریزند و آنرا معمولا در درجه حرارت 780-870 درجه ی سانتی گراد به صورت محلول آبکی در می آورند. محلول فوق را در سطوح فلزی خنک می کننده تا به شکل ذرات جامد ریز و گداخته شده تبدیل گردد.سپس این ذرات را با کمک آسیاب، خرد می کنند.

عمل سرد کردن و تبدیل آن به حالت جامد به وسیله ی آسیاب کردن محلول آبکی Soda ash و Na2S به دست می آید که آن را به مخزن نگهداری منتقل می کنند تا بعدا به برج استخراج کننده ی جامد-مایع پمپ شود.

Na₂S  در حین شست و شو  جدا شده و کربنات سدیم نیز در پایین برج جمع می شود.

نمودار جریان تولید سودا اش از پساب خمیر کاغذ به شرح زیر می باشد:

• خالص سازی و بازیافت

این ماده به صورت مایع را به طور پیوسته به داخل یک جدا کننده نظیر سانتریفیوژ می ریزند تا مواد جامد از آن جدا گردد. محلول بالای برج که غنی از Na₂S می باشد را به مخزن کربناته کردن ، جهت ایجاد واکنش با دی اکسید کربن و تولید سولفید هیدروژن و کربنات سدیم پمپ می کنند.

محلول آبکی حاوی کربنات سدیم را خارج می کنند و با محصول موجود در پایین برج مخلوط می کنند.

سپس آنرا سانتریفیوژ و خشک می کنند تا Sodium carbonate بازیافت گردد.

تولید به روش سولوی

این روش به دلیل ارزان بودن و استفاده از مواد خامی که به فراوانی در دسترس هستند برای تولید سدیم بی کربنات و Sodium carbonate به صورت گسترده مورد استفاده قرار می گیرد . مواد خام مورد نیاز برای انجام این فرآیند عبارتند از آمونیاک ، کربن دی اکسید ، آب و محلول غلیظ آب نمک. 

مهمترین و اصلی‌ترین کاربرد سدیم کربنات در تولید شیمیایی شیشه است. چنانچه سدیم کربنات را در دماهای بسیار بالا حرارت دهیم، و آن را با ماسه و کلسیم کربنات ترکیب کنیم و سپس به سرعت آن را سرد کنیم، محصول ما شیشه خواهد بود. سدیم کربنات همچنین به عنوان یک باز نسبتاً قوی در بسیاری از موارد به کار می‌رود. برای مثال، به عنوان تنظیم‌کننده PH جهت حفظ پایداری شرایط قلیایی لازم برای عملکرد اکثر عوامل تولیدکننده از این ترکیب استفاده می‌شود. به عنوان یک افزودنی رایج در مخازن شهری جهت خنثی‌سازی اثر اسیدی کلر و افزایش PH به کار می‌رود. در آشپزی، گاهی اوقات به عنوان یک جایگزین برای سدیم هیدروکسید برای قلیایی کردن به خصوص در چوب شور (نان نمکی) به کار می‌رود. این خوراک‌ها با یک محلول ماده قلیایی عمل آوری می‌شوند تا PH سطح ماده غذایی را تغییر کند که این سبب برشتگی بیشتر آن می‌شود. در شیمی این ماده به عنوان یک الکترولیت استفاده می‌شود و این از آن جهت است که الکترولیت ها معمولاً بازهای نمکی دارند و از طرفی سدیم کربنات به عنوان یک رسانای خوب در الکترولیز عمل می‌کند. همچنین به عنوان استاندارد اصلی تیتراسیون اسید و باز به کار می‌رود و این به دلیل پایداری جامد و گاز این ماده است که سبب سهولت در اندازه‌گیری دقیق تر جرم می‌شود. در خانه‌ها به عنوان نرم‌کنندهٔ آب در شست‌وشوی لباس‌ها به کار می‌رود. این ماده با یون‌های منیزیم و کلسیم موجود در آب سخت مقابله می‌کند و مانع از تشکیل پیوند بین آن‌ها با ماده شوینده به کار رفته می‌شود. بدون استفاده از سدیم کربنات شوینده اضافی برای خیساندن یون‌های منیزیم و کلسیم نیاز می‌شود. سدیم کربنات در بخش شویندهای فروشگاه‌ها به نام علف شوره (اشنان) دیده می‌شود و به‌طور مؤثری لکه‌های روغن، گریس، و الکل را از بین می‌برد. سدیم کربنات همچنین به عنوان عامل ضد رسوبی از جمله رسوب‌هایی که در کتری‌ها و ماشین‌های بخار دیده می‌شود به کار می‌رود.

به طور کلی سودا اش جدا از سنگین و سبک بودن در صنایع گوناگونی از جمله:

• سیلیکات سدیم
• شیشه و سرامیک
• رنگدانه ی آبی لاجوردی
• پاک کننده های پودری
• بی کرومات ها

مورد استفاده قرار می گیرد.

• ساخت شیشه

مهم ترین و اصلی ترین کاربرد کربنات سدیم در تولید شیشه است.

برای ذوب سیلیس خالص به دمای حداکثر 2000 درجه ی سانتیگراد نیاز می باشد ، بنابراین اکثر تولید کنندگان با مخلوط کردن ماسه خام با 18٪ سودا اش (Na₂CO₃) در هزینه های سوخت صرفه جویی می کنند.کربنات افزوده شده نقطه ی ذوب را پایین می آورد ، اما سدیم اضافه شده باعث می شود شیشه به آرامی در آب حل شود. افزودن حدود 10٪ سنگ آهک (CaCO₃) به دلیل وجود کلسیم موجب می شود تا شیشه مقاوم تر گردد.

• تصفیه آب

از این ماده بعنوان یک افزودنی رایج در مخازن شهری جهت خنثی سازی اثر اسیدی و کلر استفاده میشود

همچنین در خنثی سازی اسید در استخرهای شنا نیز مورد استفاده قرار میگیرد

در ازمایشگاه های شیمی این ماده به دلیل پایدار بودن و سهولت در اندازگیری دقیق به عنوان عامل اصلی تیتراسیون اسید و باز شناخته میشود.

از مصارف خانگی آن می توان بعنوان نرم کننده آب در شست و شوی لباس ها اشاره کرد

• کاربرد در آب استخر

یکی از مشکلاتی که در آب بسیاری از استخرها به وجود می آید تنظیم نبودن pH است. تنظیم نبودن اسیدیته علاوه بر مشکلاتی که می تواند برای پوست و سایر اجزای در تماس با آب به وجود آورد، می تواند عملکرد موادی را که به منظور ضدعفونی، تنظیم سختی و … به اب افزوده می شوند را نیز تخت تاثیر قرار دهد.

یکی از بهترین راه ها برای تنظیم اسیدیته استفاده از ترکیباتی شیمیایی است که بتوانند باز یا اسید موجود در آب را خنثی نمایند. در صورت اسیدی بودن آب استخر از کربنات سدیم استفاده می شود. این ماده در تماس با اسیدها آن را خنثی نموده و گاز کربن دی اکسید تولید می نماید. در ادامه به نحوه عملکرد و مکانیسم واکنش این ترکیب با اسید کلریدریک و اسید سولفوریک بیشتر خواهیم پرداخت:

• صنایع غذایی:

در صنایع غذایی از کربنات سدیم بعنوان ماده افزودنی (E500) بعنوان تنظیم کننده میزان ترشی و پایدار کننده استفاده میشود. همچنین عامل جایگزین برای قلیایی کردن به خصوص در چوب شور به جای NaOH به کار می رود.
از کاربردهای دیگر آن برای تهیه سریع تر ماکارونی نیز می توان اشاره نمود. 

سودا اش در تولید بستنی چوبی نیز بکار میرود.

احساس خنکی که هنگام خوردن بستنی به ما دست میدهد ( زمانی که بستنی با بزاق دهان خیس میشود) به دلیل واکنش گرماگیر بین این ماده و اسید ضعیف است که منجر به تولید کربن دی اکسید می شود.