碳酸钠水解（碳酸钠水解常数）

　　碳酸钠水解（碳酸钠水解常数）
　　11月8日，证监会已正式批准纯碱期货12月6日在郑州商品交易所上市交易。
　　下面我们分两期来介绍纯碱产业链：
　　纯碱的定义及性质：纯碱（Soda Ash），又名碱面、洗涤碱，国际贸易中又称苏打或碱灰，成分为碳酸钠，分子量105.99。纯碱是重要的基础化工原料和＂三酸两碱＂中的两碱之一，广泛地应用于诸多领域，在国民经济中占有十分重要的地位。碳酸钠属于钠盐，具有一定的腐蚀性，可与酸、盐、碱发生反应。
　　纯碱的分类及用途：根据密度的不同，纯碱可分为轻质纯碱（轻碱）和重质纯碱（重碱），两者成分相同但物理形态和用途不同。纯碱是重要的化工原料之一，用途主要包括以下领域：建材领域、化工生产领域、印染冶金领域以及食品加工领域。此外，纯碱也广泛地应用于环保脱硫、医药制品、制革、造纸等，高端纯碱还可用于显像管玻壳和光学玻璃制造。
　　纯碱的生产工艺：目前，制碱工艺主要分为合成碱法和天然碱法，世界纯碱产能中合成碱法约占三分之二，天然碱法约占三分之一。合成碱法又分为联碱法和氨碱法。我国是全球唯一同时拥有联碱法、氨碱法和天然碱法三种生产技术的国家。
　　纯碱产业链：纯碱是重要的化工原料，其产业链覆盖了动力煤、天然气、原盐、石灰石、合成氨等等上中游原料和技术，下游更是覆盖至建材、轻工、化工、冶金、纺织等工业部门，终端产品也渗透到我们的日常生活中各个方面。
　　纯碱包装及仓储：纯碱下游用户可以按照自己的特殊要求与厂家协商袋装标准。包装方式主要分为大袋包装、小袋包装和无袋散装。纯碱仓储主要分为定点仓储和移动仓储，以及袋装仓储和散装仓储。在长期暴露的情况下，纯碱会吸收空气中的水分和二氧化碳，如果受潮，则容易形成硬块影响使用。
　　一、 纯碱定义及性质
　　1、什么是纯碱？
　　纯碱（Soda Ash），又名碱面、洗涤碱，国际贸易中又称苏打或碱灰，成分为碳酸钠，CAS号497-19-8，分子量105.99，化学品纯度多在99.5％以上（质量分数）。
　　纯碱是重要的基础化工原料，白色无气味粉末或颗粒，高温下易分解，是＂三酸两碱＂中的两碱之一，但却属于强电解质盐类，因其水溶液呈弱碱性而称为纯碱。
　　2、纯碱的物理性质
　　碳酸钠常温下为白色无气味的粉末或颗粒。有吸水性，露置空气中逐渐吸收水分而形成结块，其水合物有3种，分别为：一水合碳酸钠，七水合碳酸钠和十水合碳酸钠，碳酸钠的结晶水合物石碱在干燥的空气中易风化。
　　纯碱（碳酸钠）易溶于水和甘油，微溶于无水乙醇，难溶于丙醇。20℃时每100克水能溶解20克碳酸钠，35.4℃时溶解度最大，每100克水中可溶解49.7克碳酸钠。
　　3、纯碱的化学性质
　　碳酸钠属于钠盐，具有一定的腐蚀性。
　　（1）稳定性。稳定性较强，但高温下也可分解，生成氧化钠和二氧化碳。长期暴露在空气中时，碳酸钠能吸收空气中的水分及二氧化碳，生成碳酸氢钠。
　　（2）水解反应。碳酸钠在水溶液中水解，电离出的碳酸根离子与水中氢离子结合成碳酸氢根离子，导致溶液中氢离子减少，剩下电离的氢氧根离子，所以其水溶液呈碱性（pH=11.6）。
　　（3）与酸反应。与酸可发生复分解反应，如遇足量盐酸时，生成氯化钠和碳酸，不稳定的碳酸立刻分解成二氧化碳和水，碳酸钠与其他种类的酸也能发生类似的反应。
　　（4）与盐反应。与盐可发生复分解反应，例如一些钙盐、钡盐可与碳酸钠生成沉淀和新的钠盐。
　　（5）与碱反应。与氢氧化钙、氢氧化钡等碱可发生复分解反应，生成沉淀和氢氧化钠，工业上会用这种反应制备烧碱（氢氧化钠），俗称苛化法。
　　二、 纯碱的分类及用途
　　1、纯碱的分类
　　根据密度的不同纯碱可分为轻质纯碱（轻碱）和重质纯碱（重碱），两者成分相同但物理形态和用途不同：轻碱密度500-600kg/ ，呈白色结晶粉末状，多用于生活洗涤、化工溶剂以及食品加工行业；重碱密度1000-1200kg/ ，呈白色细小颗粒状，多用于平板玻璃生产。与轻碱相比，重碱具有坚实、颗粒大、密度高、吸湿低、不易结块、不易飞扬、流动性好等特点。此外，也有超轻质纯碱和超重质纯碱，密度分别为370kg/ 左右和1550-2553kg/ 。目前期货交易所拟定上市的纯碱品种为重碱。
　　根据用途的不同，纯碱可分为工业纯碱和食用纯碱。工业纯碱执行的是中华人民共和国颁发的国家标准 GB/T 210-2004《工业碳酸钠及其试验方法》（以下简称国标），包括GB/T 210.1-2004《工业碳酸钠及其试验方法第1部分工业碳酸钠》和GB/T 210.2-2004《工业碳酸钠及其试验方法第2部分工业碳酸钠试验方法》。食用纯碱执行的是GB 1886-1992《食品添加剂碳酸钠》标准，在达到工业纯碱的低盐碱标准基础上，增加了砷和重金属的含量限制。
　　根据氯化物含量的不同，纯碱可分为普通碱、低盐碱、超低盐碱、特殊低盐碱。依照国标标准，普通碱氯化钠的质量分数≤1.20％；低盐碱氯化钠的质量分数≤0.90％；超低盐碱氯化钠的质量分数≤0.70％；特殊低盐碱氯化钠的质量分数≤0.30％。
　　2、纯碱有哪些用途？
　　纯碱是重要的化工原料之一，用途主要包括以下领域：
　　（1）建材领域，纯碱作为平板玻璃的主要原料之一，为反应提供钠离子，同时也是澄清剂的主要成分；
　　（2）化工生产领域，纯碱广泛用于制造硅酸钠（俗称泡花碱、水玻璃）、碳酸氢钠（俗称小苏打）、氟化钠、重铬酸盐等产品；
　　（3）印染冶金领域，纯碱充当纺织物生产过程的软水剂，或是用作冶炼的助溶剂、选矿的浮选剂以及炼钢的脱硫剂等；
　　（4）食品加工领域，纯碱作为面食添加剂起到中和剂、膨松剂、缓冲剂、面团改良剂作用，增加面食口感和柔韧度，也可作为主要辅助添加剂应用于味精、酱油的生产。
　　此外，纯碱也广泛地应用于环保脱硫、医药制品、制革、造纸等，高端纯碱还可用于显像管玻壳和光学玻璃制造。
　　三、 纯碱的生产工艺
　　在没有工业生产方法之前，人们从天然碱湖中采得或从含碱植物灰中制造出纯碱，用于洗涤剂以及玻璃、肥皂、皮革制造等方面。随着工业发展，原始的纯碱提取方式已经不能满足用碱需求，大规模工业制碱生产工艺应运而生。目前，制碱工艺主要分为合成碱法和天然碱法，世界纯碱产能中合成碱法约占三分之二，天然碱法约占三分之一。
　　合成碱法又分为联碱法和氨碱法。我国是全球唯一同时拥有联碱法、氨碱法和天然碱法三种生产技术的国家。
　　1、合成碱法
　　合成碱法的发展经历了三个阶段，第一阶段路布兰法，1788年由法国化学家路布兰研究出以食盐为原料的制碱法；第二阶段，氨碱法，19世纪中后期，比利时的索尔维兄弟研制出索尔维制碱法（Solvay Process），因生产过程中需用氨作为媒介，故又称氨碱法。氨碱法原料价廉易得，生产连续，产品纯度高，适合大规模生产，至20世纪初，逐渐取代路布兰制碱法；第三阶段，联碱法，20世纪三十年代，我国＂现代化工先驱＂制碱专家侯德榜博士结合国内实际生产情况，经过大量实验，研制出侯氏制碱法（Hou's Process），也称为联合制碱法或联碱法。该方法将合成氨厂和纯碱厂建在一起，生产纯碱的同时产出副产品氯化铵。
　　（1）氨碱法生产工艺
　　氨碱法，又称索尔维制碱法，或索氏制碱法。该方法是由比利时人索尔维在1859年发明，以食盐、氨水、二氧化碳为原料，在室温下从溶液中分离出碳酸氢钠的制碱法。索氏制碱法共分以下几步：
　　第一步，氨气、水、二氧化碳反应生成碳酸氢铵；
　　第二步，碳酸氢铵与氯化钠反应生成碳酸氢钠沉淀和氯化铵，过滤后得到碳酸氢钠固体；
　　第三步，加热分解碳酸氢钠，生成水、二氧化碳和碳酸钠（纯碱 ）；
　　第四步，将步骤二中的氯化铵和熟石灰混合加热，得到氨气并循环使用。
　　氨碱法整个流程中氨气是循环使用的，而副产品是氯化钙。
　　另外，氨碱法的生产步骤简单，原料经济实惠且碳酸钠产品纯度高，适合大规模生产。但同时也有一些缺点。氨碱法氯化钠（食盐）利用率最高只能达到75％，且排出大量废渣废液（据统计，每生产1吨纯碱需排放10吨废液），废渣中含有大量氯化钙，很难加以利用且污染性较强。因此，采用氨碱法生产的纯碱企业一般都沿海或沿河布局，工厂选址受限。
　　（2）联碱法生产工艺
　　联碱法，即侯氏制碱法，由我国著名化学家侯德榜发明于1943年，考虑到我国缺盐的行情，在索尔维法基础上，将纯碱和合成氨两大工业联合，同时生产碳酸钠和化肥氯化铵，大大地提高了食盐利用率，被称为侯氏制碱法。
　　侯氏制碱法分为以下几个步骤：
　　第一步，氨气、水、二氧化碳反应生成碳酸氢铵，混合液还含有氯化钠、氯化铵、碳酸氢钠等物质；
　　需要注意的是，联碱法前两步骤与氨碱法相同。
　　第三步，部分碳酸氢钠可直接销售，剩余的碳酸氢钠将被加热煅烧生成碳酸钠（即纯碱），二氧化碳回到第一步循环利用。
　　侯氏制碱法整个过程中二氧化碳是被循环利用的，而氯化铵则是生产碳酸钠（纯碱）的副产品。纯碱、氯化铵在生产过程中按照1:1.1的比例生产，氯化铵按照含水分不同可以分为干铵、湿铵，可用做氮肥，与尿素互为替代品。氨气则由合成氨厂联合生产。
　　此种方法的优点，既使食盐的利用率提高到96％以上，又可产出 做氮肥，工业价值较高；另外还可与合成氨厂联合，将合成氨的原料气CO直接转化成 ，革除了 制 这一工序，同时省去了焦炭和石灰石等资源型原料的投入和采矿、运矿和石灰窑等一系列辅助设备的投入，也避免了氨碱法中大量废渣和废液的排放。但该方法工艺流程相对复杂，且生产装置投入成本较高，装置检修复杂，产出纯碱品质控制难度较大，同时也受到上游合成氨和副产氯化铵价格的影响。
　　2、天然碱法
　　1984年，拓荒者在美国怀俄明州的甜水河找到了碳酸氢钠，将其用于洗涤剂和制药。1938年，美国山间燃料供应公司在怀俄明州绿河盆地勘探油气资源时，发现了世界最大的天然碱矿，之后美国纯碱工业以其得天独厚的天然碱资源优势迅速发展起来。至1976年，美国通过天然碱法产出的纯碱占其国内总产量的70％，到1982年该比例高达94％，之后美国的纯碱几乎全部采用天然碱法生产。
　　目前全世界已探明的天然碱矿只分布于美国、中国、土耳其、墨西哥和非洲南部等少数国家和地区，其中美国、土耳其和中国是主要的天然碱法生产国。我国已发现天然碱矿产地152处，储量近4亿吨，主要分布在河南和内蒙古两地，河南桐柏地区，总储量达1.5亿吨，远景储量3-5亿吨，约占全国天然碱总储量的80％。内蒙博源集团是国内唯一天然碱生产商。
　　天热碱法生产工艺
　　该方法是通过对天然碱矿物进行一系列过滤、除杂等工序来制取纯碱。根据碱矿成分的不同，天然碱法生产工艺主要分为蒸发法和碳化法两种。对于碱、硝、盐共生的泡碱型天然碱湖水或者主要成分为泡碱（Na2CO3？10H2O）的固体矿，一般采用卤水碳化法生产工艺，提取天然卤水进行碳化、干燥和煅烧，生产出纯碱。对于以晶碱石（Na2CO3？NaHCO3？2H2O）为主要成分的天然碱矿，一般采用蒸发法生产工艺，通过分解或中和的方式使晶碱石中的碳酸氢钠分解，再蒸发提纯制得纯碱。
　　天然碱法工艺的应用受限于资源的地理位置、供应等基础条件，与其他两种主流生产工艺相比，最大优势在于成本较低。
　　3、三种工艺占比
　　我国天然碱法产能占比相对较小，主因自然碱矿数量有限。联碱法和氨碱法产能占比相当。截至2019上半年，联碱法产能约1665万吨，占国内纯碱总产能的50.2％，氨碱法产能1479万吨，占总产能的44.6％，而天然碱法产能占比只有5.1％，产能仅有170万吨。
　　4、轻碱重质化工艺
　　无论是合成碱法还是天然碱法，生产出来的纯碱均为轻碱。厂家通常将轻碱再加工制得重碱。目前，主流的加工工艺有水合法和挤压法两种，水合法又分为固相水合法和液相水合法。
　　水合法是将轻碱加水结晶生成一水合碳酸钠，再加热赶出结晶水，制得的重碱保留了结晶的形态，结构比轻碱更为密实。挤压法采用纯机械在两辊之间通过高压将轻碱挤压成薄而硬的碱饼，然后破碎碱饼筛选出最佳粒度，再将过粗的颗粒重新破碎，过细的颗粒重返挤压，即制得重碱。
　　通常来说，我国纯碱企业重质化率在40％-60％左右。国内的纯碱生产企业，可根据上述产能比例、下游需求、轻碱重碱价差等因素来调节生产轻碱和重碱的比例。目前我国重碱产量增长速度远远高于轻碱，主要由于重碱下游需求量大、稳定、且简单，而轻碱下游需求较冗杂且量小。
　　四、 纯碱产业链介绍
　　纯碱是重要的化工原料，其产业链覆盖了动力煤、天然气、原盐、石灰石、合成氨等等上中游原料和技术，下游更是覆盖至建材、轻工、化工、冶金、纺织等工业部门，终端产品也渗透到我们的日常生活中各个方面。
　　1、纯碱产业链上游
　　根据纯碱不同的生产工艺，所需的生产原料也不完全相同。天然碱法制碱的上游为天然碱矿，氨碱法制碱的上游是原盐和石灰石，联碱法制碱的上游是原盐和合成氨。制碱的燃料主要是动力煤，个别企业也会用到天然气。
　　2、纯碱产业链中游
　　纯碱工业的主要产品是轻碱和重碱，重碱由轻碱加工转化而来。除轻碱及重碱以外，联碱法生产纯碱会产出副产品氯化铵，简称氯铵，是一种速效氮素化学肥料，也可用于电池制造、电镀、印染等。农用氯化铵含氮量25~25.4％，但因其含有氯基因子，对土壤损害较大，在环保日趋严重的大背景下，后期发展空间有限。
　　3、纯碱产业链下游
　　玻璃是纯碱最重要的下游需求，需求占比约50％ 左右，其中包括平板玻璃、日用玻璃、光伏玻璃等。重碱主要用于生产平板玻璃。轻碱主要用于日用玻璃行业、洗涤剂和食品行业等。无机盐领域根据行业的不同选择使用轻碱和重碱。洗涤剂和氧化铝行业的部分下游企业可以根据纯碱和烧碱的价格变化对窑炉进行改造更换投料，降低生产成本。
　　五、 纯碱包装及仓储
　　1、纯碱包装
　　纯碱下游用户可以按照自己的特殊要求与厂家协商袋装标准。包装方式主要分为大袋包装、小袋包装和无袋散装。
　　大袋包装指500kg/袋及以上包装，国内主要有750kg/袋和1000kg/袋两种包装规格，后者也被称为吨包或吨袋；此外也有少量的500kg/袋和1500kg/袋的包装规格。重碱下游用户多为平板玻璃企业，月度需求量大且集中，为了投料快捷便利和节约拆包人力，多以吨包为主。
　　小袋包装指50kg/袋及以下袋装方式，主要有25kg/袋、40kg/袋、50kg/袋三种规格，其中25kg/袋一般用于食用碱包装，40kg/袋一般用于轻质纯碱包装，50kg/袋可用于轻碱或重碱包装。
　　无袋散装指用罐装汽车从纯碱生产企业的成品料仓将纯碱直接装入汽车的料罐内，运输至纯碱用户，节省了包装材料。散装适用于两种情况：一是纯碱生产企业周边分布有用量较大且稳定的下游用户，多为平板玻璃企业；二是纯碱的进出口贸易环节。
　　关于纯碱净重容忍误差，大袋包装要求平均偏差在±5kg范围内。小袋包装有两种方式：一种是随机抽取10袋称量，要求平均偏差在±0.2kg范围内；另一种是随机抽取1袋称重，要求偏差在±0.3kg范围内。
　　2、纯碱仓储
　　纯碱仓储主要分为定点仓储和移动仓储，以及袋装仓储和散装仓储。在长期暴露的情况下，纯碱会吸收空气中的水分和二氧化碳，如果受潮，则容易形成硬块影响使用。因此纯碱储存主要有四个方面的要求：一是贮存于阴凉干燥的仓库内，防止雨雪、受潮，防止日晒、受热；二是与易（可）燃物、酸类、铵类、有毒物质等分开存放；三是需要包装密封，防受潮，防破损，防污染；四是存储区内放置合适的材料来收容泄漏物。
　　本文源自海通期货