베이킹 소다

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배경

베이킹 소다는 백색 결정성 분말입니다(NaHCO ₃ ) 화학자들에게는 중탄산나트륨, 중탄산염 소다, 탄산수소나트륨 또는 탄산나트륨으로 더 잘 알려져 있습니다. 산(탄산)과 염기(수산화나트륨)가 결합하여 형성된 산염으로 분류되며 다른 화학물질과 약한 알칼리로 반응합니다. 화씨 300도(섭씨 149도) 이상의 온도에서 베이킹 소다는 탄산나트륨(보다 안정적인 물질), 물 및 이산화탄소로 분해됩니다.

베이킹 소다의 고유한 화학적 및 물리적 특성은 청소, 탈취, 완충 및 소화를 포함한 광범위한 응용 분야를 설명합니다. 베이킹 소다는 냄새를 가리거나 흡수하는 것이 아니라 화학적으로 냄새를 중화시킵니다. 결과적으로 입욕제 및 데오도란트 바디 파우더에 사용됩니다. 베이킹 소다는 pH를 낮추는 산이나 pH를 높이는 염기를 용액에 첨가해도 pH 8.1(7은 중성)을 유지하는 경향이 있습니다. 정제화 능력으로 인해 제산제 및 의치 세척 제품에서 좋은 발포성 성분이 됩니다. 중탄산나트륨은 일부 플라그 방지 구강 세척제 및 치약에서도 발견됩니다. 베이킹 소다를 페이스트 형태의 세제로 사용하거나 축축한 스폰지에서 건조할 때 결정 구조가 부드러운 마모를 제공하여 민감한 표면을 긁지 않고 먼지를 제거하는 데 도움이 됩니다. 그것의 약한 알칼리성은 흙과 기름에 포함된 지방산을 물에 용해되고 쉽게 헹굴 수 있는 비누 형태로 바꾸는 작용을 합니다. 베이킹 소다는 빵이나 팬케이크와 같은 구운 식품을 만들 때 팽창제로도 사용됩니다. 산성 물질(예:레몬 주스)과 결합하면 이산화탄소 가스가 방출되어 제품의 세포에 흡수됩니다. 베이킹하는 동안 가스가 팽창하면 세포벽도 팽창하여 발효 제품을 만듭니다.

베이킹 소다는 가정에서 많이 사용하는 것 외에도 많은 산업 분야에서 사용됩니다. 예를 들어 베이킹 소다는 가열하면 이산화탄소를 방출합니다. 이산화탄소는 공기보다 무거우므로 산소를 차단하여 화염을 질식시킬 수 있어 중탄산나트륨을 소화기의 유용한 성분으로 만듭니다. 기타 응용 분야에는 대기 오염 제어(이산화황 및 기타 산성 가스 배출을 흡수하기 때문에), 표면 코팅 제거를 위한 연마 분사, 화학 제조, 가죽 무두질, 유정 드릴링 유체(칼슘을 침전시키고 윤활제로 작용하기 때문에), 고무 및 플라스틱 제조, 제지 제조, 섬유 가공 및 수처리(납 및 기타 중금속 수준을 감소시키기 때문에).

영국에서 수입된 베이킹 소다는 식민지 시대에 미국에서 처음 사용되었지만 1839년이 되어서야 미국에서 생산되었습니다. 1846년 코네티컷의 의사인 Austin Church와 Massachusetts의 농부인 John Dwight는 뉴욕에서 베이킹 소다를 제조합니다. Dr. Church의 아들인 John은 Vulcan Spice Mills라는 제분소를 소유하고 있었습니다. 로마의 대장간과 불의 신 Vulcan은 팔과 망치로 대표되었고 새로운 베이킹 소다 회사는 팔과 망치 로고를 자체적으로 채택했습니다. 오늘날 Arm &Hammer 브랜드의 베이킹 소다는 가장 널리 알려진 브랜드 이름 중 하나입니다.

이를 발명한 프랑스 화학자 Nicolas Leblanc의 이름을 따서 명명된 Leblanc 공정은 최초의 소다회 제조 수단이었습니다(Na ₂ CO ₃ ) 중탄산 나트륨이 만들어집니다. 염화나트륨(식염)을 황산으로 가열하면 황산나트륨과 염산이 생성됩니다. 그런 다음 황산나트륨을 석탄 및 석회석과 함께 가열하여 탄산나트륨 또는 소다회를 형성했습니다.

1800년대 후반 벨기에의 화학 엔지니어인 어니스트 솔베이(Ernest Solvay)가 소다회를 생산하는 또 다른 방법을 고안했습니다. Solvay 방법은 곧 미국에서 채택되어 Leblanc 프로세스를 대체했습니다. Solvay 공정에서 이산화탄소와 암모니아는 염화나트륨의 농축 용액으로 전달됩니다. 미정제 중탄산나트륨이 침전되고 가열되어 소다회를 형성한 다음 추가 처리 및 정제되어 미국 약전 의 중탄산나트륨을 형성합니다. (U.S.P.) 순도.

이러한 베이킹 소다회 제조 방법은 널리 사용되지만, 공정에 사용되는 화학물질이 오염물질이며 폐기 문제를 야기하기 때문에 문제가 있다. 대안은 천연 광상인 트로나 광석에서 소다회를 정제하는 것입니다.

원자재

베이킹 소다 또는 중탄산나트륨은 솔베이 공정을 통해 얻은 소다회나 단단한 결정질 물질인 트로나 광석에서 얻습니다. 트로나는 5천만 년 전, 와이오밍주 그린 리버 주변의 땅이 600제곱마일(1,554제곱킬로미터) 호수로 뒤덮일 때까지 거슬러 올라갑니다. 시간이 지나면서 증발하면서 이 호수는 사암층과 혈암층 사이에 2000억 톤의 순수한 트로나 퇴적물을 남겼습니다. Green River Basin의 퇴적물은 수천 년 동안 소다회와 중탄산나트륨에 대한 전 세계 수요를 충족할 만큼 충분히 큽니다.

Solvay 방법에 사용된 합성 공정은 일부 오염 문제를 나타내기 때문에 Church &Dwight Co. Inc.는 점점 더 많은 제조 공정을 트로나 채굴에 기반을 두고 있습니다. 또 다른 대규모 소다회 생산업체인 FMC Corporation도 트로나에 의존하여 소다회와 중탄산나트륨을 제조합니다. Trona는 표면 아래 1,500피트(457.2미터)에서 채굴됩니다. FMC의 광산 갱도에는 거의 2,500(4,022.5km) 마일의 터널이 있으며 24평방 마일(62평방 킬로미터)을 덮고 있습니다. 너비 4.57미터, 높이 2.74미터인 이 터널을 통해 필요한 장비와 차량이 통과할 수 있습니다.

제조
프로세스

소다회 만들기

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1 소다회는 Solvay 공정을 사용하여 화학적으로 제조하거나 트로나 광석으로 만들 수 있습니다. 트로나 광석을 사용하려면 먼저 채굴해야 합니다. 표면으로 가져온 트로나 광석은 다양한 가공 공장으로 운송됩니다. 그곳에서 광석은 소다회(탄산나트륨)와 베이킹 소다(중탄산나트륨)를 모두 포함하는 중간 소다회 제품인 세스퀴탄산나트륨 슬러리로 정제됩니다.

베이킹 소다 만들기

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2 다음으로 중간 소다회 용액을 원심 분리기에 넣고 액체를 결정에서 분리합니다. 그런 다음 결정을 회전 용해기에서 중탄산염 용액(제조업체에서 제조한 소다회 용액)에 용해시켜 포화 용액이 됩니다. 이 용액은 불용성 물질을 제거하기 위해 여과된 다음 공급 탱크를 통해 탄산화 탑의 상단으로 펌핑됩니다.

3 정제된 이산화탄소를 탑의 바닥에 주입하고 압력을 가합니다. 포화된 나트륨 용액이 탑을 통과하면서 냉각되고 이산화탄소와 반응하여 중탄산나트륨 결정을 형성합니다. 이 결정은 탑 바닥에서 수집되어 다른 원심분리기로 옮겨져 과잉 용액(여과액)이 걸러집니다. 그런 다음 결정을 중탄산염 용액으로 세척하여 건조 준비가 된 케이크 같은 물질을 형성합니다. 원심분리기에서 제거된 여액은 회전식 용해기로 재순환되어 더 많은 중간 소다회 결정을 포화시키는 데 사용됩니다.

4 세척된 필터 케이크는 연속 벨트 컨베이어나 플래시 건조기라고 하는 수직 튜브 건조기에서 건조됩니다. Church &Dwight Company에 따르면 공정의 이론적 수율은 90~95%이며 제조된 베이킹 소다는 99% 이상 순수합니다.

베이킹 소다 제조 공정의 그림. 이 공정의 핵심 단계는 탄산화탑에서 발생합니다. 여기에서 포화 소다회 용액은 탑의 상단에서 아래로 이동합니다. 용액이 떨어지면 용액이 냉각되고 이산화탄소와 반응하여 중탄산나트륨 결정인 베이킹 소다를 형성합니다. 여과, 세척 및 건조 후 결정을 입자 크기별로 분류하고 적절하게 포장합니다.

정렬 및 저장
다른 성적

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5 다음으로, 중탄산나트륨의 건조된 결정은 입자 크기에 따라 다양한 등급으로 분리된다. 중탄산나트륨의 표준 등급과 특수 등급은 고객의 특정 요구 사항에 맞게 제조되며 입자 크기가 등급을 결정하는 주요 요소입니다. 분말 #1 및 세립 #2는 식품, 화학 물질 및 의약품에 광범위하게 사용됩니다. 세분화된 등급 #4 및 #5는 식품 및 도넛, 세척제, 의약품 및 기타 여러 제품에서 발견됩니다. 산업용 등급의 ​​중탄산나트륨은 유정 드릴링 유체, 소화 재료 및 수처리를 포함한 다양한 응용 분야에 사용됩니다.

6 각 등급은 대기, 이산화탄소 및 수분 함량을 제어하여 제품을 "경화"하는 보관함으로 이동합니다. 경화되면 등급을 포장하여 배송할 준비가 됩니다.

품질 관리

중탄산나트륨의 품질은 제조 공정의 모든 단계에서 관리됩니다. 재료, 장비 및 공정 자체는 가능한 최고 품질의 중탄산나트륨을 생성하도록 선택됩니다. FMC 소식통에 따르면 회사는 공장을 건설할 때 제약 등급 중탄산나트륨을 만들기 위한 엄격한 품질 요구 사항과 호환되는 재료와 장비를 선택했습니다. FMC는 또한 통계적 프로세스 제어 를 사용합니다. (SPC)는 변함없는 일일 품질을 유지하고 주요 작동 매개변수는 프로세스 제어를 유지하기 위해 차트로 표시됩니다. 제품 품질 매개변수는 로트 번호로 기록되며 샘플은 2~3년 동안 보관됩니다.

모든 USP 등급은 미국 약전 및 식품 화학 물질 코덱스 충족 제약 및 식품 응용 분야에서 사용하기 위한 사양. 또한 식품 등급 중탄산나트륨은 일반적으로 안전하다고 인정되는 물질로 미국 식품의약국(FDA)에서 지정한 요건을 충족합니다. (그라스).

미래

20세기 초에는 연간 53,000톤(48,071미터톤)의 베이킹 소다가 판매되었습니다. 인구는 극적으로 증가했지만 1990년까지 판매량은 연간 약 32,000톤(29,024미터톤)으로 감소했습니다. 자가 상승 밀가루, 케이크 및 비스킷 믹스는 베이킹 소다에 대한 수요를 중요한 베이킹 성분으로 감소시켰습니다. 그럼에도 불구하고 제품에 대한 수요는 여전히 상당합니다. 상업 제빵사(특히 쿠키 제조업체)는 이 제품의 주요 사용자 중 하나입니다. 중탄산나트륨의 가장 중요한 속성 중 하나는 열에 노출되면 이산화탄소 가스(CO ₂ ) 베이킹 제품을 상승시킵니다. 중탄산나트륨은 제약 및 건강 산업에서도 사용되며 다른 산업 응용 분야에서도 사용됩니다. 따라서 현재와 미래를 위해 계속해서 중요한 제품입니다.