苛化

定义

苛化的基本含义是把碳酸钠转变为氢氧化钠。在碱法制浆的碱回收术语中，苛化指含有效成分氢氧化钙的石灰乳与澄清后的绿液发生反应，使绿液中的碳酸钠转化为氢氧化钠的过程^[2]。就反应本身而言，它是碳酸钠与氢氧化钙作用生成氢氧化钠的化学过程，名称来自产物苛性钠的强腐蚀性。

反应的化学反应式为 $Na_2CO_3 + Ca(OH)_2 → 2NaOH + CaCO_3↓$。反应后得到的含碱溶液在碱回收中称为白液，生成的灰白色膏状碳酸钙沉淀称为白泥^[2]。一个完整的苛化系统通常由绿液过滤、消化提渣、苛化反应、白液过滤以及白泥洗涤等单元组成^[1]。

原理

苛化依靠石灰乳中的氢氧化钙与溶液中的碳酸钠作用。氢氧化钙在水中的溶解度很小，工业生产使用石灰乳而不用石灰水，否则溶液中可参与反应的氢氧化钙太少，会影响生成物的量^[3]。有文献指出，该反应的方向主要取决于氢氧化钙与碳酸钙的溶解度差异^[4]。

反应是可逆的，热效应较小，平衡受温度和压力的影响比较微弱。温度对苛化效果有直接影响：在约70100 ℃的较高温度下进行，可改善石灰的利用率，而反应放热也有助于溶液保持较高温度^[5]。纯碱苛化法在99101 ℃进行苛化，天然碱苛化法在95100 ℃进行^[1]；碱法制浆的苛化工段通常把反应温度控制在9498 ℃、反应时间控制在180~210分钟，过量灰含量维持在3.0%~4.0%。

以碱法制浆的苛化工段为例，物料经过的主要环节可示意如下：

flowchart LR

A[绿液] --> B[消化提渣]

B --> C[苛化反应]

C --> D[白液过滤]

D --> E[白液]

D --> F[白泥]

其中生石灰先与水消化生成石灰乳并除去不溶残渣，再与绿液中的碳酸钠反应，最后把含碱的白液与碳酸钙沉淀分开^[1]。

发展历程

苛化法曾是制造烧碱的化学方法之一，按原料不同分为纯碱苛化法与天然碱苛化法^[1]。纯碱苛化法把纯碱与石灰分别化碱、化灰制成纯碱溶液和石灰乳，在99101 ℃反应，苛化液经澄清并蒸发浓缩到40%以上得到液体烧碱，继续熬浓固化可得固体烧碱；天然碱苛化法则把天然碱粉碎、溶解、澄清后加入石灰乳，在95100 ℃苛化^[1]。由于经济效益差、产品纯度相对较低，苛化法在商品烧碱生产中已被淘汰，但作为化工单元操作，它在拜耳法氧化铝生产和碱法制浆碱回收中仍被广泛使用^[1]。

20世纪90年代以后，苛化作为碱回收环节的技术引进受到关注。1993年《中国造纸》报道了引进Ahlstrom公司硫酸盐浆法碱回收苛化站的生产实践，其工艺运行中产品白液浊度在20 ppm以下^[6]。此后的研究多围绕提高苛化效率展开：2017年有研究探讨用石灰苛化法处理铝酸钠溶液中的草酸钠并回收碱^[7]；2023年有研究针对排盐苛化率进行工艺条件优化^[8]；2024年则有研究考察生石灰粒径对绿液消化与苛化反应的影响，并把结果用于生产实践^[9]。

应用

碱法制浆是苛化最主要的应用场合。硫酸盐法制浆产生的黑液经碱回收炉燃烧后，熔融物用稀白液或清水溶解得到绿液，绿液经苛化转为白液后返回蒸煮工序使用，同时产生白泥^[2]。白泥的主要成分是碳酸钙，经高温煅烧可以回收石灰循环使用，从而形成苛化与石灰回收相衔接的工序闭环。苛化工段的分离效果直接影响回收碱的品质，绿液与绿泥、白液与白泥的分离以及两者的洗涤脱水是关键环节^[10]。

在拜耳法氧化铝生产中，苛化是维持碱平衡的工序。循环使用的苛性碱液每循环一次约有3%的氢氧化钠因与矿石中的碳酸盐和空气中的二氧化碳作用而变成碳酸钠，必须把这部分碳酸钠苛化转回氢氧化钠才能重复利用^[11]。排盐苛化通过石灰苛化把碳酸钠转化为苛性碱加以回收，苛化率在这一过程中至关重要^[8]。有资料提到，在拜耳法苛化中加入0.6 g/L苛化助剂可抑制铝酸钠副反应，使氧化铝损失率从51%降至16.29%。此外，反应温度升高和石灰用量增加对草酸钠转化为氢氧化钠有促进作用，而氢氧化钠浓度升高则对苛化反应不利^[7]。

苛化也用于制取氢氧化钠，工业上以碳酸钠与石灰乳为原料，经苛化反应、过滤等步骤得到氢氧化钠溶液^[3]。苛化泥经洗涤后可用作水泥的原料。

局限

作为制造烧碱的工艺路线，苛化法存在经济效益差、产品纯度相对较低等不足，在商品烧碱生产中已不再采用^[1]。与离子膜电解法相比，苛化法产品的整体纯度偏低，且需要消耗大量纯碱。苛化反应可逆、热效应小，平衡受温度和压力影响微弱，因此难以通过改变温度或压力使反应进行到底。

苛化效果受生石灰质量、绿液浓度和反应温度等因素影响^[9]。减小生石灰粒径有利于消化与苛化反应，但粒径过小的石灰会产生粒径更小的白泥，不利于白液澄清，因此需要合理控制生石灰粒径^[9]。对竹材等非木材原料而言，绿液中硅含量较高会降低苛化效率，并使所得白泥的白度和均整性变差^[12]。

苛化还能把碳酸钠转化为氢氧化钠，但这一转化不能消除系统中碳酸钠的来源。拜耳法流程中的碳酸钠来自配石灰带入的二氧化碳、矿石、空气以及补碱等途径，其中配石灰带入的二氧化碳占比最大^[13]。因此苛化只能作为碱平衡的调节手段，而不能替代对二氧化碳来源的控制。

参见

• 拜耳法 —— 氧化铝的碱法生产工艺，其排盐苛化工序用石灰把碳酸钠转回苛性碱。

• 碱回收 —— 碱法制浆中回收蒸煮化学品的流程，苛化是其中把绿液转为白液的工序。

• 硫酸盐法 —— 一种化学制浆方法，其黑液燃烧产物经苛化后重新用于蒸煮。

• 氢氧化钠 —— 苛化的目标产物，在制浆中作为蒸煮药液使用。

• 碳酸钙 —— 苛化副产物白泥的主要成分，可经煅烧回收石灰。