Основные сведения о сульфиде натрия
Нахождение в природе
Не находится в природе, получают с помощью промышленности.
Физические свойства
При стандартных условиях этот материал имеет вид белого порошка (или монолита), характерной чертой которой является сильная гигроскопичность. Кристаллам свойственна форма гранул или чешуек. Кроме чисто белого окраса, возможен желтоватый/коричневатый оттенок (технический сульфид натрия) или полное отсутствие цвета.
Сульфид натрия, бескислородная соль, белого цвета, очень гигроскопичная, плотность 1,856 г/см^3, температура плавления 1180 градусов по Цельсию, температура кипения 1300 градусов по Цельсию. Растворимость в воде (%): 13,6 (20 градусов по Цельсию), 45,0 (97,5 градусов по Цельсию). Молекулярная масса сульфида натрия 78 г/моль.
Химические свойства
Сульфид натрия гидролизуется в воде: Na2S + H2O = NaOH + NaHS. При температуре ниже 48 градусов по Цельсию кристаллизуется из водного раствора в кристаллогидрат Na2S*9H2O, выше 48 градусов Na2S*6H2O. Сульфид натрия при взаимодействии с кислотами выделяет сероводород, легко окисляется кислородом до тиосульфата, а затем до сульфита и сульфата натрия, а также образует политионовые кислоты. Сульфид натрия сильный восстановитель: разбавленная азотная кислота окисляет сульфид натрия до серы S, концентрированная до сульфата натрия. Растворяется в низших спиртах (метанол, стандарт), что используется на практике для получения чистого сульфида натрия. Сульфид натрия реагирует с галогеноводородными кислотами и разбавленной серной кислотой с выделение сероводорода и гидроксида натрия.
Сырьевая база (природная)
Глауберова соль (мирабилит) Na2SO4*10H20.
Месторождения около 100 миллионов тонн мирабилита были обнаружены недалеко от провинции Саскачеван в центральной Канаде.
Также мирабилит встречается в озере Кучук в Западной Сибири, в соленых озерах Томской области, в Алтайском крае (озера Большое Яровое и Бурлинское).
В Грузии в 30 км от Тбилиси высохшее соленое озеро площадью около 55 тысяч квадратных метров представляет собой слой мирабилита толщиной около 5 метров.
Он присутствует в морской воде и во многих минеральных водах.
Сырьевая база путем переработки побочных продуктов различных производств (основное)
- Потенциальным сырьем для производства сульфида натрия является тиосульфат натрия (при нагревании до 220 градусов по Цельсию он распадается на Na2SO4), производство которого все больше и больше увеличивается за счет широкого использования мышьяково-содового метода очистки газов от сероводорода.
- В производстве красителей он широко используется при высаливание конечных продуктов, в результате чего образуются сточные воды, из которых можно извлечь Na2SO4, из которого можно получить Na2S, путем упаривания и дожигания. (повторное применение так как Na2S используется для производства красителей)
- Отходами при производстве бихромата натрия является сульфат натрия, который используется для производства сульфида натрия.
- При производстве сульфида натрия в качестве побочного продукта получают жидкость, содержащую 6% кальцинированную соду и 8% сульфида натрия. Путем обработки этого раствора сернистыми газами получают тиосульфат натрия, который можно использовать для получения сульфида натрия.
Применение сульфида натрия
Сульфид натрия - это узкоспециализированный продукт, но его использование в некоторых областях довольно велико.
- В горнодобывающей промышленности смеси сульфида натрия также используются для обогащения свинцово-железистых и цинковых руд.
- В химической промышленности красители производятся с использованием сульфида натрия, а кристаллы используются для получения гидроксида натрия и соды. Сульфид натрия участвует в производстве целлюлозы.
- В металлургической промышленности сульфид натрия используется для плавки сталей и большого перечня цветных металлов.
- В лабораторной деятельности при колориметрических испытаниях, лабораторных исследованиях с осаждением из меди растворов цинка, свинца и железа, при синтезе каустической соды, соды.
- При производстве кожи кожевенники используют для очистки и дубления от волосяного покрова светлых кож.
Способы получения сульфида натрия
Основные способы получения
- Сульфид натрия получают прокаливанием глауберовой соли (мирабилита) (мирабилит) Na2SO4*10H20.
- Восстановление натриевой соли серной кислоты углем в диапазоне температур от 800 до 1000 градусов по Цельсию. Для осуществления этого процесса используются вращающиеся шахтные печи.
- Упарка и затаривание (малоперспективно и с точки зрения механизации и автоматизации).
- Получение сульфида натрия взаимодействием амальгамы натрия с полисульфидом натрия (реактор Матиссона).
- Получение сульфида натрия восстановлением сульфата натрия газами.
Выбор приоритетного способа
Основным способом получения сульфида натрия является восстановление натриевой соли серной кислоты углем в диапазоне температур от 800 до 1000 градусов по Цельсию. Этот способ во всех источниках и литературе описан как основной.
Описание технологии производства
Теоретические основы
При нагревании смеси сульфата натрия с коксом до 950-1200 градусов по Цельсию протекают следующие реакции:
По реакции (1) образуется значительное количество сульфида натрия. Одновременно с основным химическим процессом протекают побочные процессы, в результате которых в плаве появляются примеси: Na2CO3, Na2S2O3, Na2SiO3 и другие соли. Побочные реакции приводят к расходу сырья и загрязнению продукции балластными солями. Степень восстановления сульфата натрия зависит от контактной поверхности фаз, соотношения сульфата натрия и угля и содержания примесей в шихте, от температуры и так далее. Для увеличения контактной поверхности реагирующих фаз шихту составляют из кусков кокса и брикетов сульфата натрия. Однако в промышленных условиях интенсивное восстановление начинается только после появления жидкой фазы сульфата натрия, смачивающей поверхность частиц кокса. Кокс вводится в шихту в избытке, потому что часть его выгорает в печи и не участвует в процессе восстановления. Избыток кокса увеличивает вязкость плава, снижает его теплопроводность и снижает производительность печи. Оптимальное соотношение Na2SO4и кокса устанавливают опытным путем в заводских условиях.
В процессе получения плава сульфида натрия можно выделить три основных промежутка процесса: плавление, «кипение» и созревание.
В первом промежутке процесса шихта нагревается и сульфат натрия плавится. Чистый сульфат натрия плавится при 890 градусов по Цельсию, но при наличии в шихте примесей сульфида натрия, сульфидов и сульфатов щелочных и щелочноземельных металлов температура плавления сульфата натрия снижается. В период плавления сульфата натрия скорость его восстановления постепенно увеличивается. Образование Na2S сопровождается выделением газообразного оксида углерода (4) CO2.
Второй промежуток процесса - это восстановление, которое характеризуется бурным газовыделением, расплав кажется «кипящим». Оптимальная температура процесса составляет 950 градусов по Цельсию. Образовавшийся сульфид растворяется в расплаве с образованием жидкого раствора с сульфатом натрия. Когда концентрация Na2S в растворе достигает 70%, раствор становится насыщенным. После образующийся Na2Sуже не растворяется, а будет находиться в твердом состоянии. Раствор начинает загустевать.
Наступает финальный промежуток процесса - период созревания, когда скорость образования сульфида натрия снижается, количество жидкой фазы (сульфата натрия) непрерывно уменьшается, плав становится кашеобразным, вязким. Для того чтобы снизить вязкости расплава и облегчить его выгрузку из печи, температуру в печи повышают до 1200-1300 градусов по Цельсию. Готовый плав обычно содержит 5-13% Na2CO3, 68-75% Na2S, 1-3% Na2S2O3, до 2% Na2SiO3,13-15% нерастворимых минеральных веществ и до 8% углерода (несгоревшего кокса).
Процесс
Процесс производства сульфида натрия Na2S состоит из четырех основных этапов:
1) получение плава сульфида натрия в печи.
2) выщелачивание сульфида натрия горячей водой или маточным раствором.
3) фильтрация щелоков и их очистка.
4) упарка щелоков с получением плавленого сульфида натрия.
Восстановление сульфата натрия осуществляется в механических вращающихся печах периодического действия, а также в шахтных и циклонных печах непрерывного действия.
Кокс и брикетированный сульфат натрия смешиваются на ленточном конвейере (1) в соотношении два к одному. Полученная шихта через загрузочный бункер и питатель поступает в шахтную печь (13). Его нижняя часть заканчивается горном (20) в виде цилиндрической чаши. Горн снабжен двумя медными летками для непрерывного выпуска плава. Летки и нижняя часть печи (кессон) имеют снаружи водяные рубашки для отвода тепла. Кессон - это зоны самых высоких температур. Над горном имеется 6 фурменных отверстий, через которые в топку засасывается воздух, необходимый для сжигания кокса.
В верхней части топки шихта нагревается за счет тепла отходящих газов. Попадая в зону реакции, сульфат натрия плавится и восстанавливается. Выходящие газы очищаются от пыли, охлаждаются в циклоне (2) и удаляются вентилятором в атмосферу. Плав сульфида натрия из летки шахтной печи непрерывно поступает в выщелачиватель (21). Он имеет двухлопастную мешалку для перемешивания пульпы и оборудован вытяжной системой (22) для удаления водяного пара, выделяющегося при гашении плава. Выщелачивание сульфида натрия проводят слабыми щелоками (6—12% Na2S), образовавшимися после промывки шлама. Щелок подается в аппарат насосом (14) из сборника (15). Растворение сульфида натрия происходит при 115 градусов по Цельсию до получения раствора с концентрацией 30%. Этот раствор собирается в сборнике (25), а затем насосом (26) перекачивается в напорный бак (5), откуда он подается на дисковый вакуум-фильтр (6). После фильтрации крепкие щелоки собираются в сборный резервуар (16) и перекачиваются в отстойник Дорра (7). Оставшийся шлам промывают горячей водой в репульпаторе для более глубокого извлечения из него сульфида натрия. Полученные промывочные растворы отделяются от шлама на вакуумном фильтре (4) и возвращаются в выщелачиватель, а шлам отправляют в шламовые пруды. Когда закончится осветление в отстойнике Дорра (7) 30% -ный раствор сульфида натрия вакуумным насосом подается в выпарной аппарат (8) с выносной греющей камерой. Здесь в результате выпаривания его концентрация повышается до 50%. После окончательное выпаривание щелока осуществляется в каскаде упарочных котлов (19), где раствор самотеком вытекает из сборника (18). Котлы обогреваются топочными газами, полученными при сжигании природного газа. Плав, упаренный до содержания продукта не менее 67%, передается вакуумным насосом (29) в сборник плава (28), откуда он самотеком переливается в барабаны, где он затвердевает в течение 24 часов в сплошную массу.
Технологическая схема процесса (функциональная)
Список литературы.
1) Мельников Е.Я., Салтанова В.П., Наумова А.М., Блинова Ж.С. Технология неорганических веществ и минеральных удобрений: Учебник для техникумов. – М.: Химия, 1983.
2) Лидин Р.А., Андреева Л.Л., Молочко В.А. Справочник по неорганической химии. Константы неорганических веществ. М.: Химия, 1987.
3) Публикация «Система Оптимум»: «Натрий сернистый (сульфид натрия): применение и свойства».
4) Публикация ООО «Эверест»: «Сульфид натрия – полезный элемент в химической промышленности».
5) Справочник химии 21. Химия и химические технологии: «Производство сульфида натрия».