过碳酸钠的制备与产品分析

过碳酸钠的制备与产品分析1前言过碳酸钠是一种新型氧系漂白剂,它集洗涤、漂白、杀菌于一体，无毒无味，漂白性能温和，无环境污染。另外它还可用作供氧源、食品保鲜剂、氧化剂和金属表面处理剂等等[1]。过碳酸钠又名过氧碳酸钠，为碳酸钠和过氧化氢的加成化合物，属于正交晶系层状结构，其分子式为2Na2CO3·3H2O2,相对分子质量为314.58，其理论活性氧值为l5.3%。在水中的溶解度：l0℃时为l2.3g/100gH2O，30℃时为16.2g/100gH2O,随着温度的升高,溶解度也相应地增加。浓度为1％(重量)的过碳酸钠溶液在20℃时的pH值为l0.5，与相同条件下的过氧化氢和碳酸钠的性质相似，是一种优良的无磷洗涤助剂，与过硼酸钠(NaBO2·H2O2·3H2O)相比，过碳酸钠活性氧含量高，温时溶解性好，更适宜于冷水洗涤，因此，在能源日益紧张之际，用过碳酸钠替代过硼酸钠作漂白剂具有明显的经济效益。在纺织行业中，它是一种新型的漂白剂，性能在许多方面优于次氯酸钠和双氧水。与次氯酸钠相比，对纤维无破坏作用，无异味，无污染。与双氧水相比，放氧速度温和，操作安全性高。它的采用带来漂染行业的一次“工业革命”[2]。2实验原理和方法2.1实验原理2.1.1反应原理碳酸钠和双氧水在一定条件下反应生成过碳酸钠，过碳酸钠的理论活性氧含量为15.3％，反为放热反应，其反应式如下[3]：2Na2CO3+3H2O2→2Na2CO3·3H2O2+Q2.1.2分解原理由于过碳酸钠不稳定，重金属离子或其它杂质污染，高温，高湿等因素都易使其分解，从而降低过碳酸钠活性氧含量。其分解反应式为：2Na2CO3·3H2O2→2Na2CO3·H2O+H2O+3/2O2↑2Na2CO3·3H2O2→2Na2CO3+3H2O+3/2O2↑过碳酸钠分解后,活性氧分解成H2O和O2,使得过碳酸钠活性氧的含量降低因此,通过测定在不同条件下活性氧的含量及变化,即可研究过碳酸钠的稳定性[4]。2.2制备方法目前，过碳酸钠的工业生产主要有干法和湿法两种。干法是在热空气沸腾床中，往无水碳酸钠上连续喷洒过氧化氢溶液即得产品。用不锈钢、聚四氟乙烯和某些塑料作为结构材料。其工艺简单，流程短、产率高，但设备复杂，技术条件苛刻，能耗高，产品稳定性差。湿法生产是由过氧化氢和碳酸钠水溶液以一定的温度在间歇式或连续式结晶器中进行反应、结晶、分离、干燥得到产品，母液返回使用。其工艺简单、生产设备易得、投资少、技术条件易掌握、产品稳定性较好、便于建厂生产。目前，除德国外几乎所有生产国都是采用湿法生产。最近，日本发明了喷雾法制造过碳酸钠，把过氧化氢和碳酸钠分喷到反应器中，从而使产品收率提高到94％以上，但此法技术条件不易掌握，难度较大，所以目前尚处于摸索中。因为工业Na2CO3中一般含有Fe、Mn、Cu等金属，由于这些金属的存在，会促使反应物H2O2分解，造成H2O2的损失，并使最终产品的储存稳定性能不好，因此，在精制Na2CO3过程中加入适量的硫酸镁和硅酸钠作絮凝剂沉淀出杂质，同时，在碳酸钠与过氧化氢反应的过程中加入一定量的四苯基二膦和硅酸钠作为稳定剂就可改善制得的过碳酸钠的稳定性[5]。3仪器和药品3.1实验仪器电动搅拌器、恒温水浴锅、滴定装置、三颈烧瓶、玻璃棒、抽滤装置、烧杯(100mL、1L)、锥形瓶(250mL)、表面皿等。3.2实验药品和试剂无水碳酸钠(AR)、30%过氧化氢(AR)、95%乙醇(AR)、硫酸镁(AR)、浓硫酸(AR)、硅酸钠(AR)、高锰酸钾(AR)、草酸钠(AR)等[6]。4实验部分4.1过碳酸钠产品的制备4.1.1原料配比原料配比即碳酸钠与过氧化氢的摩尔比。这是影响产品收率和活性氧含量的一个重要因素。过氧化氢比例太高，不利于提高产品的质量，且会由于过氧化氢分解而提高成本；过氧化氢比例太低，则会造成过碳酸钠产品的收率太低，产品不合格。实验证明，碳酸钠与过氧化氢的摩尔比以l：1.44左右为宜。4.1.2产品制备通过资料分析及前期的实验，我们认为影响反应过程的主要因素是原料配比A（Na2CO3:H2O2,mol比)、反应时间B、反应温度C。为确定最佳制备工艺条件,以产品的活性氧含量作为考察指标,进行了这三因素二水平的正交实验,用L4(23)正交表安排实验,因素水平安排见表1,正交实验安排见表2。表1因素水平表因素水平原料比A（mol比）反应时间C（h）反应温度D(℃)11:1.51021:1.81.515表2正交实验安排表序号ABC1111212232124221由于实验安排，本组实验是称取6.0g无水碳酸钠于烧杯中，用去离子水配成饱和的碳酸钠溶液，依次加入稳定剂硫酸镁0.12g、硅酸钠晶体0.21g，使其混合均匀并溶解，然后加入适量的95%的乙醇混合，在上述混合液中加入11.6mL30％过氧化氢溶液，充分搅拌，置于常温15℃下反应1h后，进行抽滤，并用95％的乙醇洗涤2～3次，将抽滤所得产品进行干燥，即得过碳酸钠产品。4.2过碳酸钠产品中活性氧含量的分析测定4.2.1溶液配制标准溶液的配制：称取3.16gKMnO4于1000mL烧杯中，用去离子水稀释至刻度待标定。1mol/LH2SO4溶液的配制：量取10mL18mol/L浓硫酸于盛有约50mL去离子水的250mL烧杯中，用去离子水稀释至180mL备用。6%H2SO4溶液的配制：量取34mL18mol/L浓硫酸于盛有约400mL去离子水的1000mL烧杯中，用去离子水稀释至1000mL备用。4.2.2标准溶液浓度标定准确称取计算量为0.1571g、0.1392g、0.1378g、0.1441g的干燥Na2C2O4，分别置于250mL锥形瓶中，加入10mL水溶解，再加入30mL1mol/LH2SO4溶液并加热至75-85℃，立即用待标定的KMnO4溶液滴定，直至呈粉红色并在30s内不退色为终点，记录所消耗KMnO4溶液的体积。4.2.3活性氧含量的分析测定称量约0.15～0.25g的试样两份(称准至0.0002g)，分别置于一盛有100mL(浓度为6％)的硫酸溶液的250mL锥形瓶中，用高锰酸钾标准溶液滴定至溶液呈粉红色并在30s内不消失即为终点，记录所消耗的KMnO4的体积，最后分析和计算活性氧含量。计算活性氧含量的公式：活性氧含量=4CV/Q×100％式中：C为KMnO4溶液的浓度，mol/L；V为KMnO4溶液的用量，mL；Q为过碳酸钠的质量[7]，g。5实验结果与讨论5.1产品的制备通过实验称量，本组所制得产品质量为3.8g，理论产量为8.9g。所以过碳酸钠的产率=3.8/8.9×100%=42.7%，此产率较低可能是由于抽滤过程中滤纸多次破例导致产品损失。5.2KMnO4标准溶液的标定KMnO4标准溶液浓度的标定如表3所示。KMnO4标准溶液浓度的计算式：𝐶𝐶=2m×10005ZV𝑎式中：m为Na2C2O4的质量，g；Z为Na2C2O4的相对分子质量，g/mol；V为所消耗KMnO4的体积，mL。用Na2C2O4标定KMnO4溶液的反应如下：2MnO4-+5C2O42-+16H+→2Mn2++10CO2↑+8H2O表3KMnO4标准溶液的标定项目序号1234m(Na2C2O4)/g0.15710.13920.13780.1441V(KMnO4)/mL23.1819.7019.8020.75C(KMnO4)/mol·L-10.020230.021090.020770.02073C̅/mol·L-10.020715.3过碳酸钠活性氧含量的分析本组实验所得过碳酸钠活性氧含量分析数据及处理如表4。表4过碳酸钠活性氧含量分析数据及处理序号项目m(过碳酸钠)/gV(KMnO4)/mL活性氧含量/%平均值/%10.161322.9011.7611.8120.163023.3411.86从表4中活性氧含量可以看出，所测得产品活性氧含量比理论含量低较多，说明实验所得产品的质量较差，所得产品为块状而不是蓬松状也说明制得产品质量较差，实验过程中条件和操作控制不到位。本实验所得正交实验数据和处理如表5。表5正交实验序号ABC有效氧含量/%平均值/%111110.3910.5110.45212213.3513.2013.28321211.7611.8611.81422111.9411.2211.58K123.7322.2622.03K223.3924.8625.09R0.342.603.06由表5可知，本实验过碳酸钠制备的最优条件为A2B1C1,即A原料比（mol比）1：1.5、B反应时间1h、C反应温度0℃，在此条件下所制得的产品质量最好。反应条件对产品质量的影响CBA，即反应温度反应时间原料比，最大影响因素是反应温度，所以反应时应严格控制反应温度。