碳酸氢钠的制备方法现状及应用研究进展

纪发达

山东龙港硅业科技有限公司，山东潍坊，261300

碳酸氢钠，俗称小苏打[1]，分子式为NaHCO3，相对分子质量84.01，为白色或不透明单斜晶系结晶，易溶于水，水溶液呈现弱碱性，在潮湿空气或热空气中即缓慢分解，产生二氧化碳，加热至270 ℃失去全部二氧化碳，遇酸则强烈分解即产生二氧化碳。碳酸氢钠是一种重要的无机化工产品，广泛应用于食品工业，作疏松剂或膨胀剂，用来生产各种饼干、面包和糖果制品，用于汽水饮料中二氧化碳的发生剂、黄油的保存剂，用于飞机、电路板、牙齿等表面的清洗，医药上用来制造各种药品和药剂。它还广泛用于选矿、冶炼、金属热处理、鞣革、染料、纤维、玻璃、饲料、橡胶、泡沫塑料、金属钠制造、洗涤剂、个人日用护理品、泡沫灭火剂和干粉灭火剂等。伴随着市场需求的变化，近来市场对于小苏打需求大幅度升高。据不完全统计，全国的小苏打年产量已达到400万吨,在国民经济中占有重要的地位[2-3]。

1 碳酸氢钠的制备方法

1.1 复分解法

复分解法是利用丰富的原盐矿和易购买的铵肥为主要原料生产小苏打的工艺，也称天然卤水法，该过程为卤水中含有的氯化钠与铵肥中的碳酸氢铵进行复分解反应，由于碳酸氢钠的溶解度较小直接从溶液中析出，生成目标产物碳酸氢钠。

复分解法制备小苏打流程包括卤水精制、复分解反应、小苏打过滤洗涤、小苏打干燥包装、小苏打滤液脱氨、蒸发制盐、冷却制氯化铵等工序。在复分解反应过程中，CO2气体作为反应所需，其中一部分被吸收，另一部分则与氨气混合并作为尾气从反应塔的顶部排放掉。

采用复分解法制备碳酸氢钠联产氯化铵的生产过程中，分离出的小苏打母液含有NaCl、NaHCO3、NH4HCO3、NH4Cl，其中碳酸氢钠处于饱和状态，现有技术将该母液直接进行“冷析+盐析”，在冷析过程中碳酸氢钠因过饱和也随氯化铵一同沉析。

1.2 合成法

合成法是工业上主要的生产方法，即通过碳酸钠水溶液与二氧化碳气体发生碳酸化反应制备而成[4]。

合成法生产小苏打的过程主要包括碳酸钠溶液的制备、碳酸化及后续的过滤干燥工序[5-7]。主要消耗纯碱，产品质量稳定可靠，是国内大量采用的小苏打生产技术。采用传统的氨碱法或联碱制备小苏打（碳酸氢钠），一般需要多种复杂步骤和装置，包括饱和盐水（氯化钠、硫酸钠或混合盐）的氨化、碳化单元，且生产的碳酸氢钠粒度较小，需要比较严格的工艺参数。

专利CN104402023A公开了一种提高碳化法小苏打产品粒度的生产方法，将碳化反应得到的晶浆一部分进入稠厚器，另一部分晶浆返回碳化塔，由此制备出大颗粒小苏打产品；但是，这种方法由于将碳化后的晶浆再返回碳化塔，降低了碳化塔的生产效率，影响经济效益。专利CN107739038A公开了一种大颗粒(粒状)小苏打半间歇结晶方法，以碳酸氢钠和碳酸钠水溶液为原料，通过添加晶种的方法，利用气液反应来控制过饱和度的大小，以获得大颗粒小苏打；但是，这种小苏打的制备过程中，反应时间较长，并且过饱和度不易控制。专利CN108996526A公开了一种大颗粒重质小苏打的制备方法，通过加入0～500 ppm的添加剂以及向碳化反应后的混合料中加入碳酸钠和/或碳酸钠和碳酸氢钠的混合物，可制得250～300 μm的重质大颗粒小苏打；这种方法是通过碳酸钠与碳酸氢钠的同离子效应促进结晶以提高产量的，在结晶过程中会引入碳酸钠，影响了产品的质量。Breton等开发了一种在天然碱中加入磷酸盐、羧酸盐和羧酸以分离碳酸钠和碳酸氢钠的方法，通过改变添加剂的种类和浓度可以调节产品的粒径，这种方法以天然碱为原料，产品中碳酸氢钠的质量百分数只能达到65%左右，产品纯度低。

1.3 天然碱法

天然碱法是以地下天然碱矿为原料，通过水溶采方式，往地下碱层注水，在地下形成溶腔，得到饱和溶液返回到地面储卤罐，供下游生产碳酸氢钠，因其生产成本较低，所以发展较迅速。

天然碱法生产小苏打，是以地下天然碱矿为原料，天然碱主要存在于地下天然碱矿及天然碱湖，其中地下天然碱矿主要成分是倍半碳酸钠(Na2CO3·NaHCO3·H2O)，此外含有少量的硼、铁等杂质元素，由于地质成因的差异，不同矿体中碳酸钠和碳酸氢钠的含量有些差异。地下天然碱矿通过水溶采方式，往地下碱层注水，在地下形成溶腔，得到饱和溶液返回到地面储卤罐，供下游生产小苏打。

根据卤水的组成，天然碱生产小苏打的主要工艺方法分为蒸发法、碳化法，其中蒸发法主要是倍半碱蒸发流程，分别得到倍半碳酸钠(Na2CO3·NaHCO3·H2O)，再经干燥后得到碳酸氢钠产品。碳化法是天然碱液与二氧化碳反应得到碳酸氢钠半成品(NaHCO3)，经干热气流干燥后得到碳酸氢钠成品。

在天然碱法生产小苏打过程中，小苏打晶浆的过滤、洗涤、脱水是不可缺少的重要环节，目前主要采用以下几种方法：①一步法，选用卧式刮刀离心机或活塞推料离心机进行过滤、洗涤、脱水。②两步法，第一步是采用转鼓真空过滤机或水平带式真空过滤机进行过滤、洗涤及一次脱水，以降低母液及NaCl、Na2SO4等杂质的含量，并得到含湿量15%～22%的滤饼。第二步是采用活塞推料离心机对15%～22%的湿滤饼进行二次脱水，最终得到含湿量4%～8%的滤饼。

以上为碳酸氢钠的3种工业生产方法。

为了降低成本，同时解决大量硫酸钠过剩，消除环境风险及资源浪费严重的问题，实现硫酸钠的资源化利用，现今也有利用工业固废硫酸钠与碳酸氢铵、与钠铵复合硫酸盐或与工业废气中CO2及硫酸铵生产制备碳酸氢钠的方法。也有以煤化工、石油化工等行业产生的高盐灰水（主要组分为氯化钠）或固废杂盐为主要原料，将其转化为NaHCO3、HCl、NH3等可循环利用的化学品，减少传统水处理工艺中固体废弃物的产量，实现资源化回收利用。

2 碳酸氢钠的应用发展

2.1 苏打水饮料

碳酸氢钠是饮料中的气体发生剂。苏打水是碳酸氢钠的水溶液，呈弱碱性。喝苏打水可以整合人体内的酸碱平衡，改变酸性体质，中和胃酸，输送氧气，调节新陈代谢，有助于缓解消化不良、便秘等症状，并有助于排泄尿酸，预防高尿酸血症或痛风。在炎热的夏天，苏打水中的钠可以补充汗液蒸发损失的钠，是一种非常流行的时尚饮料。

苏打水饮料不仅要满足对味道的需求，还需要逐步提高产品的附加值，以实现减肥、减脂、美容等功能，增加市场竞争力。

2.2 果蔬净

近年来，食品安全已成为社会上日益重要的问题，尤其是日常生活中食用的水果和蔬菜是否安全是消费者最关心的问题之一。为了确保餐桌上水果和蔬菜的安全和无毒，清洁它们是必不可少的一步。在食用水果和蔬菜之前，常用的清洁方法是去皮、反复用水漂洗或用沸水烫。虽然去皮可以保证水果和蔬菜的安全，但并不是所有的水果都适合，而且会导致营养物质的损失；虽然用清水漂洗或用热水烫可以去除水果和蔬菜表面的污垢，但很难完全去除残留的农药、重金属、细菌、病毒和其他微生物。近年来，随着农药使用的增加和土壤水质的污染，果蔬表面农药残留和重金属离子超标的情况变得严峻。使用洗涤和吸附方法去除果蔬中的农药残留，主要包括用1%左右浓度的盐水洗涤、用0.5%～1%的苏打水洗涤、用清水浸泡、用专用洗涤剂洗涤以及微米和纳米吸附材料吸附。苏打水具有较高的渗透压，不仅可以清洗去除果蔬表面的农药残留，还可以加速果蔬中农药残留的溶解。

2.3 小苏打牙膏

随着生活水平的提高，人们越来越重视牙齿美白和口腔健康，消费者对功效牙膏的需求和要求也越来越高，比如近年来流行的小苏打美白牙膏。

小苏打牙膏主要由牙科级碳酸氢钠组成，可以彻底清洁牙齿缝隙和牙龈线，有助于保持牙齿美白，受到了用户的高度赞扬。目前，国内外市场利用小苏打的弱碱性和颗粒摩擦特性来平衡口腔pH值，抑制口腔中的酸性牙菌斑，并通过酸碱中和达到去除口腔中有害细菌的目的，从而达到去污、美白、清新口气的效果。

碳酸氢钠可抑制更多的牙菌斑，显著减少牙龈红肿和出血，缓解牙龈问题，强健牙龈和牙齿。溶解后的小苏打可以深层清洁牙齿和牙龈线之间的缝隙，有效防止牙结石的形成，提高牙齿光洁度，持续美白牙齿。同时，它可以消除口腔异味，防止蛀牙。

结合抗炎药或提取物复配使用，可以减缓长期使用含小苏打牙膏导致的牙釉质损伤、牙龈炎症等不良反应，减少敏感牙齿的形成，降低小苏打对牙齿的损伤。有效提高小苏打牙膏的稳定性，具有良好的止血、抗炎、镇痛作用。

2.4 阻燃剂、灭火剂

碳酸氢钠加热后分解为二氧化碳和水，可以抑制燃烧；在加热的情况下，碳酸氢钠会释放出不可燃气体和碳化物质，这些物质可以扑灭火焰，尤其解决因油起火特别有效。碳酸氢钠水溶液是一种透明澄清的液体，易于储存和运输，使用安全可靠。既可作为电气火灾的灭火剂和阻燃剂，也可作为各种织物的阻燃添加剂，它还可以用作各种需要防火和阻燃的物质的阻燃添加剂，如家具、板材和纸制品。

2.5 发泡剂

传统发泡剂主要是低沸点的液体发泡剂，如正己烷，即使在室温下也具有很高的挥发性，导致发泡失败。其次，发泡剂（如正戊烷）其蒸汽与空气形成爆炸性混合物。当暴露在明火或高温下时，它们是高度易燃的，会引起爆炸，存在潜在的安全风险。此外，在高温高压下，通过减压方法调节孔隙结构的风险仍然很高，样品批次的稳定性不足。另一方面，传统方法中使用的大多数固化剂是强酸（H2SO4、HCl、HNO3、H3PO4、p-CH3C6H4SO3H等）、强碱（NaOH、KOH）或各种混合溶剂。当应用时，它们在没有与基材充分混合的情况下参与了反应，剧烈的放热反应会在短时间内产生高热，固化区域的温度场不均匀，使得发泡剂在系统中没有充分作用就立即固化，整个反应过程难以控制。

加入少量安全无毒的NaHCO3作为发泡剂，在一定温度下改变基质的黏度，发泡剂在熔融状态下分解为CO2气体，当气体逸出时，它会留下一个形状均匀的孔隙结构。当系统处于熔融状态时，NaHCO3作为成孔剂，加热后很容易分解并产生大量的CO2气体，随着气体不断从底部向顶部逸出，前体溶液留下均匀的孔结构，固化后，获得具有均匀孔结构和丰富孔的有机前驱体泡沫。

利用碳酸氢钠在50 ℃以上逐渐分解产生碳酸钠、水和二氧化碳气体的特性，将其用作发泡剂，使糊状溶液膨胀，形成互补连接的泡沫孔，蒸汽渗入泡沫孔隙，然后在搅拌和干燥后，获得具有泡沫结构的凝胶化聚合物泡沫材料。加工过程中对碳酸氢钠等主要材料进行预处理，提高了主要材料的分解温度，改性后的主要材料在低温下与基材混合，制备的产品不易分解和变性，易于分散在基体中，发泡效果好。

2.6 清洗剂

在石油产品的工业生产和使用过程中，由于设备的运行和时间的延长，油质、胶质、沥青质、碳质等厚重的污染物会留在设备表面。随着环境温度高，油污和金属表面之间的黏附会变得更加牢固，难以处理。这些污染物的存在，一方面会影响设备的运行效率、精度、安全指标，甚至引发生产事故，造成重大损失；另一方面，它会影响生产环境的美观性和清洁度、施工人员的工作效率以及人类健康和安全问题。

碳酸氢钠作为主要原料，其遇酸会强烈分解，产生二氧化碳，有利于清洗剂对管壁进行深度清洁。同时，产生的作用力会使污垢块剥落并清除。在具有良好去污效果的同时，还可以避免对人体的伤害，使其成为符合安全环保要求的绿色无污染安全清洁剂；通过与表面活性剂、络合剂、分散剂等复配，制备出强力油污清洗剂，具有低泡沫、高去污能力、环保、高重复利用率的效果。此外，其制备方法简单，原料安全，环保，避免了化学产品对人体皮肤的刺激和含磷废水对环境的破坏。即使在低温下，它的清洁效果也非常好，除油率非常高，具有很强的实用价值，值得推广。

2.7 医药

在医学领域，含有碳酸氢钠的注射液经常用于治疗代谢性酸中毒，在循环血液量和组织间液减少时（如围手术期），可作为细胞外液的补充调节剂，纠正代谢性酸中毒，可快速有效地改善代谢性酸中毒，对维持酸碱平衡和电解质平衡有明显作用。碳酸氢钠具有碱化尿液的作用，可以通过增加尿液中碳酸氢盐的浓度提高pH值，从而减少尿液中晶体的形成和聚集，降低肾结石的风险，实现非手术治疗。作为一种制酸药，它也可用于治疗胃酸过多引起的症状。它可以直接用来制作成医用药品，也可以用作碱性辅助材料或添加稀释剂、稳定剂等，以提高其在使用过程中的稳定性和安全性。

2.8 其他

碳酸氢钠在食品工业中被用作发酵剂，在黄油中被用作防腐剂，也可以直接用作制药行业的原料，还可以用于薄膜生产、制革、矿物加工、冶炼、金属热处理，以及纤维和橡胶行业。同时，它可以用作羊毛洗涤剂、泡沫灭火剂和农业种子浸泡剂；它是食品工业中使用最广泛的膨松剂之一，用于饼干、蛋糕、馒头、面包等的生产；它可以与明矾复合形成碱性发酵粉，也可以与纯碱复合形成民用石碱；消防设备用于生产酸碱灭火器和泡沫灭火器；橡胶工业将其与明矾和成孔剂结合使用，以在橡胶和海绵的生产中实现均匀的成孔；冶金工业被用作铸造钢锭的熔剂；机械工业被用作铸钢（砂型铸造）砂型的成型剂；印染工业用作印染的固色剂、酸碱缓冲剂和织物染整的后处理剂；在染色过程中加入小苏打可以防止纱线产生色斑。

3 结语

目前，碳酸氢钠的生产以工业级为主，食品级、医药级等高端市场对碳酸氢钠的需求也在增加。随着我国饲料添加剂和制药领域的不断发展，碳酸氢钠的优异性能正在不断开发，其在这些领域的应用也将逐渐增加。未来仍有显著的发展空间，碳酸氢钠生产企业可以重点发展该领域。随着其在多个领域的应用和使用量的增加，现有的制备方法仍需不断创新，以实现低成本、绿色、高质量的发展，提高碳酸氢钠在国际市场上的竞争力。