模拟氨碱法制备纯碱实验的条件优化

张婷 封享华 丁世敏 张杨

摘要：通过实验定量研究了吸收液浓度、温度、液面高度，通气速率、吸收方式等因素对氨碱法制备纯碱实验的影响，并优化了实验条件：吸收液体积比浓度为13：2，吸收液温度为42±1℃，采用18mm×180mm试管为吸收液容器，6mm×8mm×250mm玻璃管作为吸收导管，通气速率保持在240±10个气泡/min。实验条件优化后，能全面解决实验存在的问题，并使纯碱收率达49.2%。

关键词：氨碱法； 纯碱制备；实验条件优化；实验改进

文章编号：1005–6629（2016）6–0072–05 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

模拟氨碱法制备纯碱的实验因为涉及到的知识点及操作较多，是高中化学非常好的课外设计实验的题材。但由于该实验的影响因素较多，在进行实验设计时难以确定实验条件，致使实际操作中存在诸多问题：一是实验过程中气路易堵塞，甚至导致气体回冲至滴液漏斗；二是实验时间长，通常需要3.5小时以上；三是纯碱收率低（由于条件控制的差异，其纯碱收率通常在15%～30%）。

多年来不少学者对该实验进行了研究[1～4]。如陈国钦老师认为，实验中CO2的吸收温度和吸收方式是影响实验的关键因素，认为吸收温度在38～50℃较适宜，并提出了一种吸收CO2的方式：“喷散式”，即将通气管末端（或烧制成尖嘴，要求平滑）与试管底部接触，通气时，较大的气体压力冲击试管底部，从而使气体分散成许多小气泡[5]。但对于吸收液浓度、液面高度，通气速率、吸收时间等对实验的影响研究却未见报道。本课题全面研究了多种因素对实验的影响，以期解决实验中存在的问题。

2 实验过程

2.1 实验原理

将NaCl溶于浓氨水中形成氨盐水，再通入二氧化碳生成溶解度较小的碳酸氢钠沉淀和氯化铵溶液[6]。再将经过滤、洗涤得到的NaHCO3晶体加热分解制得Na2CO3。

2.2 实验材料与装置

2.2.1 实验材料

药品：NaCl晶体、浓氨水、CaCO3固体（大理石，块状，与盐酸反应每克能产生0.43g CO2）、浓盐酸、冰

仪器：托盘天平、250mL锥形瓶、滴液漏斗、100mL集气瓶、6mm×8mm玻璃管、各规格试管、200mL烧杯、温度计（100℃）、铁架台、酒精灯等

2.2.2 实验装置

2.3 实验方法

依据计算及反复多次的实验表明，NaCl用量为3.0g，既能节约药品，又能满足产品称量时对称量误差的要求；CaCO3采用块状及盐酸体积比浓度采用1：1更容易控制气流速率；吸收液体积确定为15.0mL，该体积适宜NaCl的用量及装置的要求；洗气瓶导管及吸收导管均采用6mm×8mm常规玻璃管。

（1）吸收液配制：称取3.0g NaCl多份，分别与不同浓度的浓氨水置于玻璃试管中混合溶解。

（2）按图1装配仪器，检查装置气密性。称取足量块状CaCO3置于锥形瓶中，将足量的1：1盐酸倒入滴液漏斗，将100mL蒸馏水置于集气瓶。加热烧杯中蒸馏水至一定温度。

（3）打开滴液漏斗活塞，通过控制稀盐酸滴加速率，保持集气瓶中匀速产生气泡，以集气瓶中气泡产生的个数度量通气速率（个/min）。

（4）一定时间后停止通气，将热水浴中热水换成冰-水混合体系，冷却一定时间。

（4）取出试管，过滤。将所得白色固体用冰水冷却的少量蒸馏水（每次3mL）洗涤2次。

（5）固体移至蒸发皿，用酒精灯加热并不断搅拌，直至全部变为白色粉末为止，冷却，称重，计算纯碱收率。

2.4 对照实验

2.4.1 吸收液浓度对实验的影响

吸收液碱性越强，越有利于溶液对CO2的吸收[7]，且NaCl浓度和氨浓度越高，越有利于NaCl向NaHCO3的转化。因此，理论上CO2的吸收液应配成被NaCl饱和的浓氨水溶液。但是该溶液的配制存在一些问题，一是当氨水浓度较高时，NaCl在其中的溶解度无数据可查（NaCl在氨水中的溶解度随着氨水浓度的增大而下降[8]）；二是溶解达到饱和的时间长，浪费时间。因此，应选择溶质浓度高，又能快速配制的吸收液。在相同条件下[吸收液温度42±1℃，喷散式，通气速率= 130±5个/min，t（吸收）=90min，t（冷却）=15min，18mm×180mm试管]，按照浓氨水体积比浓度分别为10：5、12：3、13：2、14：1设计四组对照实验，得出最佳的吸收液浓度比。

2.4.2 吸收液温度对实验的影响

NH3和CO2的反应是一个放热反应，因此吸收液温度会对实验有一定的影响。实验设计在同一条件下[吸收液浓度为13：2，喷散式，通气速率=130±5个/min，t（吸收）=90min，t（冷却）=15min，18mm×180mm试管]，测定不同吸收液温度下开始析晶的时间和纯碱收率。吸收液温度分别为32±1℃、37±1℃、42±1℃、47±1℃、52±1℃、 57±1℃。

2.4.3 吸收液冷却时间的确定

在进行“2.4.2”中吸收液温度为42±1℃的实验时，当反应气体通气结束后，取出试管，放入冰水中冷却，并将温度计插入吸收液，测定温度变化情况。

2.4.4 吸收液液面高度对实验的影响

从理论上判断，吸收液液面越高，气泡与吸收液接触的时间越长，越有利于提高CO2的利用率和单位时间内纯碱的收率。为研究该因素对实验的影响程度，在相同实验条件下[吸收液温度42±1℃，喷散式，通气速率=130±5个/min，t（吸收）=90min，t（冷却）=11min]，实验设计选择18mm×180mm和25mm×200mm两种规格的试管作为反应容器，进行两组对比实验。

2.4.5 通入CO2速率对实验的影响

通气速率的大小会直接影响气液反应的接触面积，从而影响纯碱收率[9]。在相同条件下[吸收液温度42±1℃，喷散式吸收，t（吸收）=90min，t（冷却）=11min，18mm×180mm试管]，实验设计三组不同的通气速率实验，通气速率（通过控制稀盐酸滴加速率，以集气瓶中气泡产生的个数度量通气速率）分别为130±5个/min、190±10个/min、240±10个/min。

2.4.6 吸收方式对实验的影响

气-液接触面积越大、接触时间越长，越有利于CO2的吸收。提高了CO2的利用率，就降低了实验成本和实验时间。实验室通常用6mm×8mm×250mm玻璃管作为通气导管，通气导管插入液相内部，气泡在液体内的上升过程中实现液体对气体的吸收，这种方式称为普通式。由于普通式产生的气泡体积大，比表面小，理论上对气体的吸收效率低。而喷散式可使气体分散成许多小气泡，大大增加了气泡的比表面，理论上可以提高气体吸收效率，从而提高反应速率。

在同一实验条件下[吸收液温度42±1℃，通气速率=240±10个气泡/min，t（吸收）=90min，t（冷却）=11min，18mm×180mm试管]，实验采用三种吸收方式做比较。普通式，6mm×8mm×25cm玻璃管，内径6mm，导管口离试管底部0.5cm；6mm内径喷散式，6mm×8mm×25cm玻璃管，内径6mm；1.5mm内径喷散式，6mm×8mm×25cm玻璃管末端烧制成尖嘴，内径1.5mm。

2.4.7 冷却过程是否通入CO2对实验结果的影响

为研究冷却过程是否继续通气对纯碱收率有无影响，实验设计在同一条件下[吸收液温度42±1℃，喷散式，通气速率=240±10个/min，t（吸收）=90min，t（冷却）=11min，18mm×180mm试管]，在冷却过程中继续通入CO2或不通入时，分别测定纯碱的收率。

2.4.8 通入CO2时间对实验的影响

实验设计在同一条件下[吸收液温度42±1℃，喷散式，通气速率=240±10个/min，t（冷却）=11min，18mm×180mm试管]，通气时间分别为30min、60min、90min、120min时，分别测定纯碱收率。通气时间越长，纯碱收率越高，但90min后继续通气对纯碱收率贡献不大，从节约时间考虑，通气时间设置为90min最合适。

3 实验结果与分析

3.1 不同吸收液浓度的实验结果

通过四组不同浓度吸收液的对照实验，可以发现总体积为15.0mL的吸收液，随着吸收液中氨浓度的增加，初始析晶的时间就越短，纯碱收率就越高，但NaCl溶解所需时间也就越长，当吸收液氨水体积比浓度为14：1时，NaCl已不能全部溶解。综合时间和效率两个因素，选择氨水浓度为13：2的吸收液比较恰当。实验结果如表1所示。

3.2 不同吸收液温度的实验结果

吸收液温度越高，CO2、氨气在水中溶解度越小，且碳酸氢铵在36℃以上开始分解为CO2、氨气和水，60℃可以分解完全。因此，高温不利于NaHCO3晶体的生成；但温度低，质点运动速率慢，不利于CO2在气-液界面和液体内部的传质[10]，CO2的吸收速率小，也不利于晶体的生成。实验结果表明，温度低于或高于42±1℃，开始析晶的时间变长，纯碱收率降低，故吸收液最佳反应温度为42±1℃。实验结果如图2所示。

3.3 吸收液冷却时间确定的实验结果

实验结果如图3所示，吸收液温度的降低主要发生在前3min，其后，温度降速变小，11min时降为0℃。建议吸收液的冷却时间为11min。

3.4 不同吸收液液面高度的实验结果

吸收液液面越高，气泡与吸收液接触的时间越长，就越有利于提高CO2的利用率和单位时间内纯碱的收率。表2表明，液面高度从4.0cm增加到10.0cm，开始析晶时间显著缩短，纯碱收率明显提高，因此，反应容器应采用18mm×180mm试管。

3.5 不同CO2通入速率的实验结果

实验结果（见表3）表明，通气速率越大，越有利于缩短开始析晶的时间，有利于提高纯碱收率。但通气速率大于240±10个气泡/min时，气泡会将液体冲出试管。所以，通气速率控制在240±10个气泡/min为宜。

3.6 不同吸收方式的实验结果

实验结果见表4所示，喷散式与普通式相比，同时产生的气泡个数显著增加，气泡直径显著减小，开始析出晶体的时间显著缩短，纯碱收率明显提高。对于不同内径的喷散式，内径越小，开始析出晶体的时间有所缩短，纯碱收率有所提高，但提高幅度不大。对于1.5mm内径喷散式，尖嘴内部容易析晶，导致堵塞，需要多次清理，去除堵塞物方能使实验有效进行，因此，采用6mm内径喷散式是合理的。

3.7 冷却过程是否通入CO2的实验结果

实验结果（见表5）表明，冷却过程是否通气对纯碱收率无明显影响。其原因是，降温过程主要发生在前3min，吸收液处在相对较高温度的时间段，温度越低，CO2的吸收速率越小，对纯碱收率的贡献越小。因此，建议冷却时不通气，以减少药品的消耗。

3.8 不同通气时间的实验结果

实验结果（见表6）表明，通气时间越长，纯碱收率越高，但90min后继续通气对纯碱收率的贡献不大，从节约时间考虑，通气时间设置为90min最合适。

综上实验，优化实验条件后，纯碱最大收率可达49.2%。存在于母液中的NaCl未得到循环利用，NaHCO3的溶解损失（包括母液中的溶解和洗涤过程中的溶解）、NaHCO3在滤纸上的粘附、纯碱在蒸发皿上的粘附等也是影响纯碱收率的因素。

4 结论

（1）模拟氨碱法制备纯碱实验中，吸收液浓度、温度、液面高度，通气速率、吸收方式、吸收时间等因素都对纯碱收率产生较大的影响，而吸收液冷却过程中是否通入CO2对实验结果影响不大。

（2）实验最宜条件为：用3.0g NaCl与13.0mL浓氨水、2.0mL蒸馏水配成吸收液，所需1：1盐酸约180mL，块状CaCO3约45g，采用18mm×180mm试管为吸收液容器，6mm×8mm×250mm玻璃管作为吸收导管，采用喷散式吸收CO2，通气速率保持在240±10个气泡/min，吸收液温度控制在42±1℃，通气时间控制在90min，通气后吸收液的冷却时间控制在11min，且冷却过程不用通入CO2。在此条件下，实验总共耗时约为143min，通气15min后可见晶体析出，实验能使纯碱收率达到49.2%，可制备Na2CO3 1.48g。

（3）条件优化后，实验装置能平稳运行，实验时间显著缩短，纯碱收率明显提高。

参考文献：

[1][5]陈国钦.做好氨碱法实验的关键是什么[J].化学通报，1957，（8）：57～59.

[2]王绪岩.联合制碱法反应原理的模拟实验设计[J].化学教学，2008，（5）：12～13.

[3]刘怀乐.纯碱生产实验的秘诀[J].化学教学，2011，（1）：48～49.

[4]陆丽洁，刘丽君.模拟工业制备纯碱的实验设计[J].化学教学，2014，（1）：52～54.

[6]张晓鸥，张特逊.氨碱法和联碱法[J].中学化学教学参考，2001，（1～2）：74.

[7][8]陈扬录.氨水溶液中氯化钠溶解度的计算[J].纯碱工业，1988，（3）：57～58.

[9]伍强.饱和碳酸钠溶液和二氧化碳气体反应实验的研究[J].化学教学，2014，（8）：57～59.

[10]武汉大学编.化学工程基础（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2009：135～136.