化学工艺学实验

实验一纯碱法制备轻质碳酸镁

一、实验目的

1、了解纯碱法制碳酸镁的工艺方法和操作过程。

2、初步学会利用沉淀反应来制取盐的一种方法。

二、实验原理

轻质碳酸镁即为最轻的最松散的镁白，是一种碱式碳酸镁。由于它具有不燃烧和质地轻松的特点，常用作橡胶制品的填充剂和增强剂，绝热、耐高温的防火保温材料，还用于制造高级玻璃制品、镁盐、颜料、油漆和日用化学品等。生产其主要来源于白云石（MgCO3·CaCO3）、菱镁矿（MgCO3）、苦卤（MgCl2、MgSO4）、海水等，工业上依生产原料不同而主要有纯碱法，白云石碳化法，海水、石灰石碳化法等。

工业上的纯碱法是将纯碱加入苦卤中是碳酸镁或氢氧化镁沉淀出来而制得的反应方程式5MgCl2+5Na2CO3+5H2O →4MgCO3·Mg(OH)2·4H2O+CO2+10NaCl

5MgSO4+5Na2CO3+7H2O →4MgCO3·Mg(OH)2·6H2O+CO2+5Na2SO4

从反应式看出，纯碱和苦卤的反应实质上是一种沉淀反应，因此，本实验可直接用Na2CO3与镁盐溶液来制取碱式碳酸镁。

三、工艺流程

苦卤

纯碱

轻质碳酸镁

四、实验材料及设备

（一）原料

1、苦卤

2、纯碱

（二）设备

1、反应器用搪瓷盆或塑料桶代用

2、电动搅拌器

3、过滤器

4、电烘箱

五、实验步骤

（一）沉淀

取1升已经过滤除机械杂质的苦卤于搪瓷盆或塑料桶中，在充分搅拌下，徐徐加入25%的碱液2升；由于流动性较差，变为豆腐般粘滞，等再恢复流动性，停止搅拌。

（二）过滤、洗涤

反应完成后，将上述溶液在过滤器上过滤，若滤液浑浊，需再过滤一次，将沉淀用水洗涤1~2次，将沉淀中的水分尽量抽干。

（三）干燥

将上述干燥的沉淀破碎后，放入电烘箱内于105~110℃下干燥1小时，取出，将结成的块粉碎后装入塑料袋中，称重，取样分析其含量。

六、产品检测

（一）试剂

1、盐酸1∶1

2、NaOH 10%水溶液

3、NH4Cl—NH4OH缓冲液pH=10

4、钙指示剂1%

5、K—B指示剂

6、甲基红指示剂

7、EDTA标准溶液0 .1M

（二）分析手续

在分析天平上准确称取1g样品于250毫升的烧杯中，加少许水将样品润湿，加入1∶1的HCl 10—20毫升，加盖在电炉上加热溶解（因有CO2气体产生，注意防止溶液溅出），将固体样完全溶解后，取下冷却，移于250毫升的容量瓶中，用水冲至刻度，摇匀。用大肚移液管分别取两份25毫升上述溶液于250毫升的三角瓶中，一份测钙用，一份测钙镁合量。

测钙取一份式样加甲基红指示剂1滴，用稀酸和稀碱（1N HCl和1N NaOH）调节使溶液刚变黄，加水使体积为80毫升左右，加入10%NaOH溶液10毫升，加钙指示剂4~8滴，用0.1M EDTA标准溶液滴定至溶液由红色变为纯蓝色为终点。记下消耗的EDTA毫升数（V1）。

测钙镁合量 取另一份试液加入甲基红指示剂1滴，用稀酸和稀碱调至溶液刚变黄，加水使体积约为80毫升，加入pH=10的氨性缓冲液10毫升，加入2~3滴K —B 指示剂，用0.1M 的EDTA 标准溶液滴定至溶液由红色变为稳定的蓝色（或蓝灰色）为终点。记下消耗的EDTA 溶液毫升数（V 2）。

按下式计算轻质碳酸镁（按MgO 计）的含量。

MgO%=

100)

(12?-G

V V M M MgO

式中MgO M ——MgO 的分子量

M ——EDTA 标准溶液的摩尔浓度 G ——分取样品的重量（克）

将分析数据汇于下表；

七、思考题

1、 在纯碱法生产轻质碳酸镁时应注意哪些因素？

2、 为什么要慢慢地加入沉淀剂？

3、 在操作过程中为什么碱式碳酸镁易结块？

实验二 硼镁石制硼酸

硼在玻璃、陶瓷、电讯、化学、医药、农业及冶金等许多工业部门都得到广泛的应用。特别是在国防尖端工业方面有着不少新的用途。例如，加硼制造的耐高温玻璃纤维，可用作火箭头的防护材料；氮化硼用于耐火材料及半导体；硼化氢、硼化锂、硼化铍的化合物可作为高能燃料。此外，硼还具有显著的吸收中子的特性，可用碳化硼控制原子能反应速度；含硼2~4%的钢可做中子屏；塑料中加入硼可防辐射；复合肥料中加入少量的硼，可使粮食增产。因此，可以说硼是重要的战略物资。

硼在地壳中的克拉克值为0.01%，在自然界中无单体存在，而多是与氧和碱土金属和碱金属元素相化合，所形成的化合物主要是硼酸和各种硼酸盐，硼酸含于某些温泉、地下卤水、油气田水、盐湖水中。目前世界上已发现硼酸盐矿物有近百种，最为人所熟悉的是硼砂（Na 2B 4O 7·H 2O ），其次还有硼镁石（MgO ·B 2O 3·H2O ），硼钙石（CaO ·B 2O 3·H 2O ），钠硼解石（Na 2O ·2CaO ·5B 2O 3·16H 2O ），硅钙硼石（2CaO ·B 2O 3·2SiO 2·H 2O ），硼镁

铁矿（Mg，Fe）2Fe3+[BO3]O2等。在我国硼资源的分布和存在形式大体上有四大类型，一类是硼镁铁矿，分布在辽宁、湖南。二类是液态硼矿，主要存在于地热水、盐湖水，分布青海、西藏，油气田水、盐卤水，分布于四川、山东、湖北、新疆。三类是天然硼砂，产于西藏、青海部分干枯盐湖沉积和部分现代盐湖结晶析出。第四类是硼镁矿、硼钙石、钠硼解石，分布于我国西藏、青海、新疆境内，目前我国工业用硼原料主要来源于西藏和辽宁。

硼酸的生产工艺主要有以下几种方法：

1、浮选法

是针对盐湖水、盐卤水、油气田水、地热水，通过蒸发制盐后硼在母液中得到数十倍的富集，母液中H3BO3含量大于50g/l以上的可采用此法生产。

2、萃取法

选用对硼有专一萃取功能的有机溶剂，对硼进行萃取，使硼进入有机相，再进行反萃取，将萃取液蒸发浓缩，得到硼酸产品。该方法适宜含硼量较低的液矿。

3、离子交换法

选用对硼有吸附能力的专一树脂，将硼从液矿中分离出来，经酸液洗脱，得到高浓度的硼酸溶液，经蒸发浓缩，等到硼酸产品。该法适宜于低含量硼的液矿。

4、沉淀法

向母液中加入氯化钙，使硼形成硼酸钙沉淀，经过滤得固体硼酸钙，加盐酸溶解，便得粗硼酸，经过精制，得硼酸产品。该方法适于含硼高，含钙镁较低的母液。

5、酸分解法

将固体硼镁矿、硼钙石、钠硼解石加酸加热溶解，便得到溶解小的硼酸（冷溶液），过滤得粗硼酸，精制后得硼酸产品。本方法适宜固体硼矿生产硼酸。

一、实验目的

1、通过本实验教学，使学生了解和掌握利用硼镁石生产硼酸的工艺技术流程和操作过程。

2、掌握酸分解硼镁石制硼酸分解硼镁石制硼酸的基本原理。

3、了解生产工艺中使用设备性能，使用方法，技术指标以及保护设备的安全技术措施。

4、了解国内外硼酸生产的各种工艺技术方法。

二、原理

硼镁石矿经破碎、磨矿、加酸加热，使固体矿样溶解。反应式

H2O+MgO·B2O3·H2O+H2SO4==2H3BO3+MgSO4

H2O+MgO·B2O3·H2O+2HCl==2H3BO3+MgCl2

利用各化合物在冷热溶液中溶解度相差较大和酸度等条件之关系，将硼酸从液相分离出来，经过精制，得硼酸产品。

三、工艺流程

120

加

水

硼酸产品

四、实验材料及仪器设备

（一）原料及药品试剂

1、硼镁矿

2、工业盐酸（30%以上）

3、甘露醇

4、NaOH标准溶液0.1N

5、甲基红指示剂0.2%溶液

6、酚酞指示剂0.5%

7、的确良过滤布（2米2）

8、塑料袋（20×30cm）

（二）设备

1、鄂式破碎机（XPC—75100×60）

2、对辊破碎机（XPZΦ200×60）

3、盘式磨矿机

4、溶样杯（3000ml烧杯）

5、电炉（1500w）

6、抽滤瓶（5升）

7、布式漏斗（Φ1500mm）

8、真空泵（50立升/分）

9、脱水机

10、电烘箱

四、实验步骤

（一）矿石粉碎

用台秤称取硼镁矿石1kg，经鄂失破碎机破碎，送入对辊破碎机破碎，再送入盘式磨矿机磨矿，要求矿样粉全部过120目筛，混匀，取1g样分析矿样中硼的含量。将粉碎后的矿样称重，重量记入实验报告内。

（二）酸分解矿石

把矿样粉全部放入3000ml烧杯中，加入30%的工业盐酸1升，用玻璃棒搅匀，放到电炉上慢慢升温加热至沸腾，煮沸10分钟，再补加盐酸1升煮至硼镁矿粉全部溶解，趁热过滤，滤渣用10%的热盐酸液洗涤二次，将滤液趁热放到电炉上蒸发浓缩到1200ml体积，取下冷却至室温，这时硼酸将大量结晶析出，把析出的硼酸抽滤，称其粗硼酸重量，量取母液

体积，将数据记入实验报告表内。 （三）精制

将粗硼酸按其重量加1∶1水，加热煮沸溶解，加入NaClO5ml 冷却，离心过滤，所得产物为精硼酸，称其重量，按精硼酸重量比加30%的白水对精硼酸洗涤2~3次，用AgNO 3溶液检查洗涤液中无Cl -为止，将精硼酸放入可控温电烘箱内在60℃内烘1~2小时。 （四）产品检验

在分析天平上称取5克硼酸样品，用不含CO 2的蒸馏水150ml 加热溶解后，煮沸2~3分钟，取下冷至室温，转入250ml 的容量瓶中，用水冲至刻度，摇匀。

用大肚移液管分取上述溶液25ml 于250ml 的三角瓶中，加入1∶1的HCl1滴，在电炉上加热至沸，取下冷却至室温。加入1滴0.1%的甲基红指示剂，用0.1NHCl 和0.1NNaOH 溶液调至红色刚褪为止。加入酚酞指示剂10滴，加入甘露醇（固体），摇匀后，用0.1NNaOH 标准溶液滴定溶液呈微红色，再补加少量甘露醇，摇动，若红色褪去，则继续用NaOH 溶液滴定，直至呈稳定的微红色为止。记下耗用的NaOH 标准溶液体积（V ）。 按下式计算硼酸的含量。

H 3BO 3=

10006183.0 G

NV

式中

N ——NaOH 标准溶液的当量浓度 G ——分取的样品重量（克） 五、实验结果及数据整理 七、思考题

1、 酸分解硼镁石矿事，矿样粒度对分解有什么影响？

2、 分解时酸的用量及酸的浓度对分解矿样有何影响？

3、 为什么要趁热过滤？

4、 加NaClO 的作用是什么？

5、 精制硼酸的过程中为什么要用少量白水洗涤2~3次？用水量多少有何关系？

6、 硼酸产品的干燥为什么要求60℃以下烘干？温度高了有什么影响？

实验内容用硼镁石生产硼酸

实验三碳酸氢铵和氯化钠制备碳酸钠

一、实验目的

1、通过实验了解联合制碱法的反应原理。

2、学会利用各种盐类溶解度的差异并通过复分解反应来制取一种盐的方法。

二、原理

碳酸钠又名苏打，工业上叫纯碱。用途很广，工业上的联合制碱法是将二氧化碳和氨气通入氯化钠溶液中，先生成碳酸氢钠，再高温下灼烧，使它失去一部分二氧化碳，转化为碳酸纳。反应方程式：

NH3+CO2+H2O+NaCl==NaHCO3↓+NH4Cl

△

NaHCO3===Na2CO3+H2O+CO2↑

在第一个反应中，实质上是碳酸氢铵与氯化钠在水溶液中的复分解反应，因此本实验直接用碳酸氢铵与氯化纳作用来制取碳酸氢钠

反应方程式

NH4HCO3+NaCl==NH4Cl+NaHCO3↓

NH4Cl、NaCl、NH4HCO3和NaHCO3同时存在于水溶液中，是一个复杂的四元交互体系。它们在水溶液中的溶解度互相发生影响。不过，根据各纯净盐在不同温度下在水中的溶解度的互相对比，也仍然可以粗略地判断出以上反应体系中分离几种盐的最佳条件和适宜的操作步骤。各种纯净盐在水中溶解度见下表：

当温度超过35℃NH4HCO3就开始分解。所以反应温度不能超过35℃。但温度太低又影响了NH4HCO3的溶解度。故反应温度又不宜低于30℃。另外从外表还可以看出NaHCO3在30~35℃温度范围内的溶解度在四种盐中是最低的，所以当使研细的固体NH4HCO3溶于浓的NaCl溶液中，在充分搅拌下，就析出NaHCO3晶体。

三、实验材料及设备

（一）原料及试剂

1、碳酸氢铵（工业纯或化学纯）

2、氯化钠（工业纯或食盐）

3、酚酞指示剂0.5%溶液

4、甲基橙指示剂0.1N

5、HCl标准溶液0.1N

（二）设备及仪器

1、恒温水浴锅

2、5000ml烧杯

3、卢式漏斗

4、抽滤瓶

5、真空泵

6、温度计

四、实验步骤

（一）化盐与精制

往2500ml烧杯中加入1000ml24~25%的粗盐水溶液。用3NNaOH和3NNa2CO3组成1∶1（体积比）的混合溶液调至pH=11左右，得到胶状沉淀[Mg2（OH）2CO3，CaCO3]加热至沸，抽滤，分离沉淀。将滤液用6NHCl调pH至7。

（二）转化

将盛有滤液的烧杯放在水浴上加热，控制溶液温度在30~35℃之间。在不断搅拌的情况下。分多次把420g研细的碳酸氢铵加入滤液中。加完料后，继续保温，搅拌半小时，使反应充分进行。静置，抽滤，得到NaHCO3晶体，用少量水洗涤二次（除去粘附的铵盐）。再抽干。称湿重。母液回收，留作制取NH4Cl之用。

（三）制纯碱

将抽干的NaHCO3放入蒸发皿中，在煤气灯上灼烧2小时，即得到纯碱。冷却到室温，称重。

（四）产品检验

在分析天平上准确称取二份纯碱（产品）G克（准确到0.0001克，G一般为0.25克左右），将其中一份放入锥形瓶中用100ml蒸馏水溶解，加酚酞指示剂2滴，用已知准确浓度为N的盐酸溶液滴定至使溶液由红到近无色，记下所用盐酸的体积V1，再加2滴甲基橙指示剂，这时溶液为黄色，继续用上述盐酸溶液滴定，使溶液由黄至橙，加热煮沸1~2分钟，

冷却后，溶液又为黄色，再用盐酸滴至橙色，半分钟不退为止。记下所用盐酸的总体积V 2（V 2包括V 1）。

按下式计算碳酸钠的百分含量。

Na 2CO 3%=

100)

20000/2·321??G

M V N CO Na HCl （

式中32CO Na M —Na 2CO 3分子量 提示：

第一步滴定以酚酞为指示剂，其滴定终点反应为：

-23CO ++H ==-3HCO

所以中和样品中全部Na 2CO 3所消耗的盐酸体积应为V 1的二倍（2 V 1）。而中和样品中NaHCO 3所消耗的盐酸体积则为V 2-2V 1。 碳酸氢钠的百分含量计算如下：

NaHCO 3%=

1001000)2(3

12??

-G

M V V N NaHCO HCl

式中3NaHCO M —NaHCO 3的分子量 纯碱的产率计算：

理论产量：由粗盐（按90%）计算

实际产量：由产品重量×Na 2CO 3的百分含量。

产率=

100?理论产率

实际产率

另一份样品按上述实验步骤及计算方法重复一遍，将数据结果汇总于下表。

纯碱的分析数据及Na 2CO 3产率

五、思考题：

1、 为什么计算Na 2CO 3产率时要根据NaCl 用量？影响Na 2CO 3产率的因素有哪些？

2、 氯化钠不预先提纯将对产品有何影响？为什么氯化钠中的硫酸根离子不要预先除去？

实验四 离子交换法从盐卤中提取碘

一、实验目的

了解离子交换法生产碘的基本原理及各生产过程。 二、原理

离子交换法是目前分离富集中应用较广的一种实验及工业生产方法。它的分离过程是在离子交换树脂上进行的。这种树脂是人工合成的固态高分子聚合物。它具有网状骨架结构。在其骨架结构上含有许多活性官能团，可以和溶液中的离子进行选择性地交换。目前用于碘生产最广泛的是聚苯乙烯季胺盐型阴离子树脂，它是在苯乙烯和二乙烯苯的共聚物上，引入季胺基而成。其官能团为R=-

+

X ，其中的阴离子可以在溶液中与阴离子（例如

---I Br Cl 、、等）进行交换。

R=-+X N + -

Cl == R=-+Cl N + -

X

阴离子与树脂亲合力的大小有如下顺序：------

＞OH ＞Cl ＞Br ＞NO ＞HSO I

34

，

盐卤中的碘通常以离子状态存在，加入一定的氧化剂可将-

I 氧化成2I ，利用碘具有的聚分子性质：

（2n+1）-

I +2Cl ==-

+12n I + -

Cl n 为1，2，3，……。

碘可以聚分子离子状态被树脂吸附，而其余的离子则保留在溶液中，从而达到分离的目的。吸附了碘的树脂用还原剂亚硫酸钠解脱，为得到碘的富集，富集液可用氧化剂再次氧化其中的碘，静置析出碘晶体。碘晶体再经精制可得产品。树脂用氯化钠溶液再生后循环使用。 三、工艺流程

循

环

使

用

产品

四、实验材料及设备

（一）原料及试剂

1、盐卤水每升约含碘200mg

2、次氯酸钠溶液（工业级或化学纯）

3、亚硫酸钠（工业级或化学纯）配成10%水溶液

4、氯化钠（食用盐）配成10%水溶液

5、盐酸（工业级或化学纯）

6、硫酸（工业级或化学纯）

7、国产717型强碱性阴离子交换树脂

（二）设备及仪器

离子交换柱Φ50×500玻璃柱或用100ml滴定管代替

spm酸度计

甘汞电极

铂电极

5000ml 玻璃小口瓶 200ml 广口玻璃瓶 2000ml 烧杯 五、实验步骤 （一）树脂处理

将国产717苯乙烯强碱性阴离子交换树脂（氯型）R=-

+

Cl N 泡在水中，使它充分膨胀（8—24小时），如树脂干，则用盐水浸泡，防止树脂膨胀速度太快，造成胀裂。然后用5%稀盐酸浸泡2小时，用水将酸洗去备用。 （二）装柱

用一支100ml 酸式滴定管，下部放一小团玻璃毛，在滴定管中充入水至三分之一高度，排除管中玻璃毛中的空气。然后将备好的树脂和水搅匀成糊状，从滴定管上端倾入（树脂随水一起倾入，防止树脂分层），使树脂自然沉下，同时将多余的水自尖嘴排出。树脂高度为2cm 。当上部残留水达0.5cm 时，在顶部也装入一小团玻璃毛，防止注入溶液时将树脂冲起。在操作过程中树脂要一直保持为水覆盖，防止水流干而有气泡进入。如果树脂床中进了空气，会产生缝隙，使交换效果降低。在这种情况下需重新装柱，或用水从一端通入管柱进行逆流冲洗赶走气泡。 （三）料液氧化

将含碘盐卤水盛于5000ml 玻璃瓶中，加入1∶1盐酸酸化至pH=3左右，加入氯气或次氯酸钠溶液氧化碘，用spm 酸度计测定氯化液的电位，控制电位在540±5mV 。 （四）交换吸附

将氧化后的料液用乳胶管引入已装好树脂的滴定管上端，打开下端活塞，让料液自上而下流过树脂床层，控制流速在0.5ml/ml 树脂·分，保证穿透率＜10%。树脂吸碘后变红色，当树脂吸饱碘后，将变成黑色。 五、解脱再生

吸饱碘的树脂，用2倍树脂体积的水冲洗，流速控制在0.05ml/min 树脂·分，然后将水放出至树脂上部残留水0.5cm ；加2倍树脂体积的亚硫酸钠溶液。放出树脂缝隙中的水，使还原液与树脂充分接触，放置2小时，以0.05ml/ml 树脂·分的速度淋洗，然后再用10倍树脂体积的10%NaCl+1%HCl 溶液再生树脂，解脱再生液分段接取，前8倍树脂体积用于

析碘，于后溶液返回料液氧化后再吸附。树脂可用于下一次吸附。 （五）碘析

向碘富集液中加入

101 倍体积的1∶1的硫酸，然后按溶液中含有的碘总量，加入5

1倍的KClO 3氧化，氯酸钾分3次加入，第一次加入总量的5

3

，搅拌均匀，静置过度，第二次

加入重量的51，第三次加入5

1

，后二次加入氯酸钾后，只是在上层清液中轻轻搅拌，以免

将结晶的碘搅碎。每次加入氯酸钾后都需静置过夜，以使碘晶体生长。将结晶好的碘用砂芯漏斗抽滤并水洗2次得到粗碘。 六、碘精制

将粗碘装入烧瓶中，加入

4

1

倍（重量）的浓硫酸，于电炉上加热至146℃，保温20分钟，然后用气压瓶压出碘，用陶瓷器皿承接，冷却后打碎即得成品。 八、思考题

1、 树脂如果不事先浸泡或未达到充分膨胀，对离子交换分离将起到何影响？

2、 氧化前为何要将料液酸化？

3、 在离子交换法中为什么在吸附和解脱过程中要控制溶液的流速？