تولید سولفات سدیم
به طور کلی دو روش عمده برای تولید سولفات سدیم وجود دارد:
- روشهای شیمیایی
الف) به عنوان محصول اصلی تولید
ب) به عنوان محصول جانبی تولید
- استحصال از منابع معدنی
روشهای شیمیایی تولید سولفات سدیم:
این روش بر مبنای انجام فرآیندهای شیمیایی بر روی بعضی از مواد صورت گرفته و بیشتر در کشورهایی به کار گرفته میشود که دارای منابع معدنی سولفات سدیم نیستند (کشورهای اروپائی، آمریکا، ژاپن)، سولفات سدیم تولیدی در این کارخانهها به دو شکل حاصل میشود.
الف) به عنوان محصول اصلی:
مبنای خط تولید این کارخانهها سولفات سدیم است که با ترکیب مواد اولیه مستقیماً مبادرت به تولید سولفات سدیم نموده که میتوان به فرآیندهای زیر اشاره کرد.
فرآیند ترکیب نمک طعام و اسیدسولفوریک:
در طی این فرآیند از ترکیب NaCl و H2SO4 به عنوان دو ماده اولیه، سولفات سدیم و اسید کلریدریک (به عنوان محصول) بهدست میآید، در این روش محصول اصلی سولفات سدیم است و اسیدکلریدریک به عنوان محصول جانبی مطرح میباشد. البته در برخی شرایط خاص و بر اساس هدف طرح، سولفات سدیم به عنوان محصول فرعی مطرح میشود. برای دستیابی به این فرآیند دو روش موجود است:
ـ روش بستر سیال (Canon) از جدیدترین روشهای تولید سولفات سدیم و کلریدریک اسید بوده، این فرآیند شامل یک اتاقک احتراق میباشد که به انتهای بستر سیال (راکتور استوانهای ایستاده) متصل است. بخار اسیدسولفوریک بعد از تزریق به اتاقک احتراق با گازهای احتراق مخلوط میشود و به این طریق افزایش دما پیدا میکند، سپس این مخلوط وارد راکتور شده که حاوی ذرات NaCl میباشد، واکنش اسید و نمک سریع بوده و محصولات تولید شده از بالای راکتور خارج میشود. سولفات سدیم به شکل یک پودر نرم از زیرسیکلون و گاز HCl از بالای سیکلون به بیرون هدایت میگردد، خلوص سولفات سدیم تولید شده تقریبا ۹۷٫۵ درصد و اسید کلریدریک ۲۵-۲۰% حجمی میباشد، ظرفیت تولیدی راکتوری با قطر ۲۰ فوت، تقریبا ۴۰۰ تن در روز است. واکنش زیر بیانگر این فرایند است.
۲NaCl + H2SO4 → ۲ HCl + Na2SO4
در روش گریتیس (Giruitis) که برترین فرآیند براساس سیستم نیمه مداوم، سادگی تجهیزات و سهولت کار سیستم واکنش میباشد، ابتدا محلول آب و نمک در راکتور آماده شده، سپس اسید سولفوریک ۹۸درصد به راکتور اضافه میگردد و بعد از مدت زمان ۳۰ دقیقه واکنش تکمیل میگردد، جهت سهولت در انجام واکنش، کل فرآیند باید باید در حالت گرم صورت گرفته تا خروج اسیدکلریدریک به آسانی صورت پذیرد. پس از انجام واکنش، محلول بدست آمده برای ورود به فیلتر باید سرد شود. لذا مخلوط بدستآمده از یک مبدل حرارتی گذشته و دمای آن پائین میآید و سپس به یک فیلتر دوار منتقل میشود. مایع صاف شده به جریان برگشتی میپیوندد، تا به جامدی که حاوی مقادیری NaHSO4 میباشد در حدود ۱۰-۸ درصد سولفات سدیم تبدیل گردد. محلول موجود در حمام را سانتریفوژ کرده و جامد بدستآمده را به یک خشککن وارد میکند تا رطوبت باقیمانده در معرض هوای گرم، از بین رفته و در نهایت سولفات سدیم خارجشده از خشککن دوار به یک آسیا و غربال جهت دانهبندی منتقل گشته و سپس توسط دستگاه بستهبندی در کیسههای پلی اتیلنی ۵۰ کیلوگرمی یا بشکههای پلاستیکی ۲۲۰ لیتری بستهبندی میشود. راندمان این شیوه تقریباً ۱۰۰% بوده و محصول سولفات سدیم خشک، بدون اسید و با درجه خلوص بالا حاصل می گردد. شکل زیر فلوشیتی از تهیه سولفات سدیم به روش شیمیایی را نشان میدهد.
فلوشیت تهیه سولفات سدیم به روش شیمیایی
فرایند واکنش نمک طعام و دی اکسید گوگرد:
در این فرایند که به روش هارگریو مشهور است، نمک طعام و گاز دی اکسید گوگرد با بخارات آب و هوا واکنش میدهند و سولفات سدیم و اسیدکلریدریک تولید میکنند، این واکنش گرما زا در دمای ۸۴۰ درجه سانتیگراد انجام میپذیرد و کنترل دمای فرآیند با هوای اضافی صورت میگیرد. در این فرایند مخلوط دی اکسید گوگرد و هوا از داخل بستری از نمک عبور میکنند. مقادیری آهن که به عنوان کاتالیزور برای انجام واکنش استفاده میشود، موجب کاهش خلوص محصول شده و رنگ سفید آن برای کاربرد در صنایع شوینده مناسب نباشد و برای از بین بردن این مشکل باید ناخالصی آهن را که حدود ۰٫۳ تا ۰٫۴ درصد است را جداسازی کرد. این روش در کشورهای معدودی اجرا میگردد و علت اصلی آن گران شدن قیمت فروش کالا، مشکلات عملیاتی، بالا بودن تکنولوژی ساخت میباشد و دلیل اصلی بهرهگیری از این شیوه در آمریکا، استفاده از گاز دی اکسید گوگرد ضایعاتی از واحدهای ذوب فلزات است. واکنش زیر بیانگر این فرآیند است.
NaCl + 2SO2 + O2 + 2 H2O → ۴HCl + 2Na2SO4
ب) به عنوان محصول فرعی تولید:
در برخی صنایع و به ویژه صنایع شیمیایی سولفات سدیم به عنوان یک محصول جانبی محسوب میگردد و ضمن تولید محصول اصلی، برخی محصولات جانبی از جمله سولفات سدیم نیز به دست میآید. این محصول جانبی از تصفیه پساب صنایع شیمیایی تولید میگردد و از جمله این صنایع میتوان به کارخانههای تولیدی، اسید بوریک، واحدهای دباغی و چرم ،کرومات سدیم، فنل واحد تولید آهن از پیریت، استات سلولز ، اسید فورمیک ، ویتامین ث، تولید الیاف مصنوعی سلولز اشاره نمود که به طور خلاصه به بررسی مهمترین این صنایع خواهیم پرداخت.
در تهیه اسید بوریک:
فرایند تولید و شرایط عملیاتی بدین صورت است که ابتدا سنگ بوراکس در مجاورت اسید سولفوریک و آب در داخل یک راکتور به صورت پیوسته به اسید بوریک و سولفات سدیم تبدیل میگردد و پس از آن عملیات فیزیکی جهت جداسازی مواد تولید شده از محلولهای واکنش فوق انجام میگیرد. جدول زیر مواد اولیه اصلی را برای تهیه اسید بوریک را نشان میدهد.
مواد اولیه اصلی برای تهیه اسید بوریک
محلول سولفات سدیم حاصل به عنوان یک ماده اولیه سولفات سازی است. در حال حاضر واحدی که در زمینه اسید بوریک در کشور فعالیت کند، وجود ندارد و هیچگونه مجوزی جهت بهره برداری واحد تولیدی در این زمینه از سوی وزارت صنعت و معدن صادر نشده است.
در تهیه اسید فرمیک:
اسید فرمیک تجارتی در اثر مجموعهای از عملیات شیمیایی بر روی فرمیات سدیم تولید میگردد (واکنش کربن دیاکسید با سدیم هیدروکسید، پودر کردن، اسیدی کردن، تقطیر) فرمیات سدیم تبدیل به پودر شده و با اسید سولفوریک ۹۸ درصد ترکیب میشود، سپس مخلوط جهت جدا کردن سولفات سدیم از اسید فرمیک به برج تقطیر هدایت میشود، بازده محصول تقریبا ۹۵% است.
در الکترولیز کلرات پتاسیم:
در این روش میتوان سولفات سدیم را از محلولها جدا کرد، محلول نهایی توسط نمک اسیدی خنثی میگردد و سپس تحت فشار قرار گرفته و با خنک کردن آن به صورت بلور در آمده و نمک گلوبر از آن استخراج میشود. مطابق این روش محلول باقیمانده که دارای سولفات سدیم است، مستقماً توسط تبخیر نمک سولفات سدیم به دست میآید.
تولید سولفات سدیم به عنوان محصول جانبی کارخانه تولید نمک پتاسیم، تهیه سولفات سدیم از محلول الیاف ویسکوز (با رشد روز افزون تولید فیبرهای مصنوعی و فایبرگلاس و جایگزین شدن آنها به جای فیبرهای ریون کمتر از این فرایند بهره میبرند) و فرایند کوره مانهایم، از جمله فرایندهایی است که موجب تولید سولفات سدیم میشود.
در بسیاری از کشورهای اروپایی (ایتالیا، فرانسه، بلژیک، اتریش، سوئد ، اتریش ، آلمان ، انگلستان و…) و ژاپن به دلیل عدم وجود ذخایر قابل توجه سولفات سدیم، داشتن تکنولوژی و دانش فنی و مسایل زیست محیطی و در کشورهای مثل آمریکا و اسپانیا به دلیل مصرف بالا و صادرات (علاوه بر استحصال از منابع معدنی) تولید سولفات سدیم به روش شیمیایی و مصنوعی انجام میشود، به طوری که میزان تولید جهانی آن در سال ۹۸ به حدود ۱٫۶ میلیون تن رسیده و بیشترین میزان تولید مربوط به کشورهای آمریکا و بلژیک و ژاپن بوده است.
با اینکه امروزه سولفات سدیم طبیعی مهمترین تأمینکننده سولفات سدیم در جهان است، ولی تولید و استفاده از سولفات سدیم مصنوعی به عنوان یک محصول جانبی صنایع دیگر، موجب میشود تا از ورود مقادیری از سولفات سدیم طبیعی از طریق پساب کارخانهها و فاضلابها به محیط زیست جلوگیری شود و امروزه برای کنترل آلودگی زیست محیطی تأکید به استفاده از سولفات سدیم صنعتی است.
استحصال سولفات سدیم از منابع معدنی:
در این فرایند از ذخایر معدنی موجود در طبیعت بهره میبرند و بر مبنای درجه خلوص ماده معدنی فرآوریهای لازم بر روی آن صورت میگیرد. مواد اولیه اصلی و محصولات نهایی دارای مشخصات فنی خاصی هستند. جدول زیر مواد اولیه اصلی را برای استحصال سولفات سدیم نشان میدهد.
مواد اولیه اصلی را برای استحصال سولفات سدیم
به طور کلی این فرایند شامل سه مرحله انحلال، کریستالیزاسیون و خشک کردن است. خاک محتوی سولفات سدیم ابتدا با مقداری آب به میزانی که بتواند مواد قابل انحلال را در خود حل نماید. در تانکهای مجهز به همزن مخلوط میکنند و در یک سری همزن عمل مخلوط شدن کامل میشود (مواد نامحلول ته نشین شده و دارای تقریبا ۱۰ درصد سولفات سدیم است)
محلول سولفات سدیم و نمک وارد فاز مایع شده و مخلوط در یک سیستم فیلتر فشاری به دو جامد فاز و مایع تفکیک میشود. محلول صاف بدست آمده دوباره در یک سیستم فیلتردار تبدیل به یک مایع زلال که حاوی سولفات سدیم و نمک است، میگردد.
سپس این مایع وارد یک سیستم چند مرحلهای تمیزکننده و تغلیظکننده میگردد و چون حلالیت سولفات سدیم در مجاورت نمک طعام کاهش مییابد. کریستالهای سولفات سدیم در این سیستم ایجاد می شوند. مایع باقیمانده از این سیستم، چون دارای غلظت نسبتا زیادی از نمک طعام است، به بیرون هدایت میشود و کریستالهای سولفات سدیم به دست آمده در چندین ظرف متوالی ته نشین شده و بعد از آن محلول غلیظ وارد سانتریفیوژ کریستال میشود و عملیات جداسازی کریستالهای سولفات سدیم از محلول همراه آن صورت میگیرد و محصول به خشککنندههای دوار ارسال میشود و سولفات سدیم کریستال با آب تبلور (نمک گلوبر) از این واحد خارج میشود. سپس در ادامه فرایند این بلورها به داخل یک تانک ذوب ارسال شده و با استفاده از حرارت حاصل از بخار آب، بلورها در داخل تانک ذوب شده و سولفات سدیم بدون آب را تشکیل میدهند و بعد از آن پودر حاصل از سانتریفیوژ که مرطوب بوده و دارای حدوداً ۴ درصد رطوبت است وارد یک خشک کن شده و توسط هوای گرم رطوبتگیری میشود و سپس محصول نهایی به سیلوهای ذخیره منتقل میشود. شکل زیر فرآیند کلی از تولید سولفات سدیم از منابع معدنی را نشان میدهد.
به خاطر وجود ذخایر عظیم سولفات سدیم در کشورهایی مثل آمریکا، کانادا، مکزیک، اسپانیا، چین، ایران، ترکمنستان و ترکیه و… تولید سولفات سدیم در آنها بیشتر ازطربق استحصال از منابع معدنی صورت میگیرد، به گونهایکه میزان تولید جهانی آن در سال ۹۸ به حدود ۴ میلیون تن رسیده است و بر این اساس امروزه سولفات سدیم استحصالی از منابع معدنی مهمترین تأمینکننده سولفات سدیم مورد نیاز در جهان است.