هیدروکسید سدیم (NaOH)

هیدروکسید سدیم (NaOH) که به نام‌های سود سوزآور یا کاستیک سودا نیز شناخته می‌شود، یک باز قوی و یکی از پرکاربردترین مواد شیمیایی صنعتی است. این ترکیب در صنایع مختلف مانند تولید کاغذ، مواد شوینده، صنایع پتروشیمی، تصفیه آب و فرآوری مواد غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی NaOH

✅ فرمول شیمیایی: NaOH
✅ جرم مولی: ۴۰ گرم بر مول
✅ حالت فیزیکی: جامد سفیدرنگ، به‌صورت پرک، گلوله‌ای یا محلول
✅ انحلال‌پذیری: به‌راحتی در آب حل شده و محلولی با خاصیت قلیایی قوی ایجاد می‌کند.
✅ واکنش‌پذیری: به‌شدت با اسیدها، فلزات خاص و مواد آلی واکنش می‌دهد.
✅ حرارت‌زایی: هنگام حل شدن در آب، مقدار زیادی گرما آزاد می‌کند که می‌تواند خطرناک باشد.

روش‌های صنعتی تولید هیدروکسید سدیم
۱. فرایند کلر-آلکالی در تولید هیدروکسید سدیم (NaOH) با روش الکترولیز محلول آب‌نمک

واکنش شیمیایی کلی

۲NaCl + 2H2​O→۲NaOH + Cl2 ​+ H2​

(سدیم کلرید + آب → هیدروکسید سدیم + گاز کلر + گاز هیدروژن)

این واکنش در سلول الکترولیتی انجام می‌شود، جایی که یون‌های سدیم (Na⁺) و کلرید (Cl⁻) در محلول حضور دارند و با اعمال جریان الکتریکی، واکنش‌های اکسایش و کاهش رخ می‌دهند.

مراحل فرایند کلر-آلکالی

۱. تهیه و تصفیه محلول آب‌نمک (Brine Preparation & Purification)

محلول سدیم کلرید مورد استفاده در این فرایند معمولاً از تبخیر آب دریا یا استخراج از معادن نمک به دست می‌آید. با این حال، ناخالصی‌های موجود در آن، مانند کلسیم (Ca²⁺)، منیزیم (Mg²⁺) و سولفات (SO₄²⁻)، ممکن است عملکرد فرایند را مختل کنند. بنابراین، این ناخالصی‌ها با استفاده از روش‌های رسوب‌گیری شیمیایی (مانند افزودن هیدروکسید سدیم یا کربنات سدیم) حذف می‌شوند.

۲. الکترولیز محلول آب‌نمک در سلول‌های الکترولیتی

محلول آب‌نمک تصفیه‌شده به سلول الکترولیتی وارد شده و تحت جریان برق مستقیم (DC) الکترولیز می‌شود. در این سلول، دو الکترود (آند و کاتد) و یک دیافراگم یا غشا برای جداسازی محصولات واکنش وجود دارد.
واکنش‌های اصلی در الکترودها:
✅ در آند (+): اکسایش یون کلرید به گاز کلر

۲Cl−→Cl2​ + ۲e−

(یون‌های کلرید، الکترون از دست داده و به گاز کلر تبدیل می‌شوند)

✅ در کاتد (-): کاهش آب به گاز هیدروژن و یون هیدروکسید

۲H2​O + 2e−→H2​ + ۲OH−

(آب الکترون جذب کرده و به گاز هیدروژن و یون هیدروکسید تجزیه می‌شود)

در نتیجه، یون‌های سدیم (Na⁺) در محلول باقی می‌مانند و همراه با یون‌های هیدروکسید (OH⁻)، محلول NaOH را تشکیل می‌دهند.

۳. انواع سلول‌های الکترولیتی در فرایند کلر-آلکالی

سه فناوری اصلی برای انجام این واکنش در صنعت وجود دارد:

الف) سلول دیافراگمی (Diaphragm Cell)

در این نوع سلول، یک دیافراگم متخلخل (معمولاً از جنس آزبست یا پلیمرهای پیشرفته) بین آند و کاتد قرار دارد که باعث جداسازی محصولات واکنش می‌شود.
✅ مزایا:
• هزینه کمتر نسبت به سایر روش‌ها
• نیاز کمتر به انرژی
❌ معایب:
• NaOH تولیدشده دارای ناخالصی NaCl است که نیاز به تصفیه بیشتری دارد.
• بازده پایین‌تر در مقایسه با روش غشایی

ب) سلول جیوه‌ای (Mercury Cell)

در این روش، کاتد از جنس جیوه (Hg) است که با یون‌های سدیم ترکیب شده و آمالگام سدیم (Na-Hg) تشکیل می‌دهد. سپس این آمالگام در حضور آب تجزیه شده و NaOH خالص تولید می‌شود.
✅ مزایا:
• تولید NaOH با خلوص بالا
• عدم وجود ناخالصی NaCl در محصول
❌ معایب:
• خطرات زیست‌محیطی ناشی از استفاده از جیوه
• هزینه عملیاتی بالا

ج) سلول غشایی (Membrane Cell)

در این روش، یک غشای انتخابی (معمولاً از جنس Nafion)بین آند و کاتد قرار دارد که فقط اجازه عبور یون‌های Na⁺ را می‌دهد و از عبور یون‌های Cl⁻ و OH⁻ جلوگیری می‌کند.
✅ مزایا:
• راندمان بالا و کاهش مصرف انرژی
• تولید NaOH با خلوص بالا بدون نیاز به تصفیه بیشتر
• عدم استفاده از جیوه یا آزبست (سازگار با محیط زیست)
❌ معایب:
• هزینه بالای تجهیزات اولیه
🔹 امروزه، فناوری سلول غشایی به‌عنوان استاندارد جهانی برای تولید NaOH در نظر گرفته می‌شود.

۴. جمع‌آوری و جداسازی محصولات

پس از الکترولیز، سه محصول اصلی تولید می‌شوند:
۱. گاز کلر (Cl₂) در آند جمع‌آوری می‌شود.
◦ برای تولید PVC، مواد ضدعفونی‌کننده و اسید کلریدریک استفاده می‌شود.
۲. گاز هیدروژن (H₂) در کاتد آزاد می‌شود.
◦ در صنایع شیمیایی، پالایش نفت و تولید آمونیاک کاربرد دارد.
۳. محلول هیدروکسید سدیم (NaOH) در کاتد باقی می‌ماند.
◦ ابتدا دارای غلظت ۱۰-۱۲ درصد است و طی فرایند تبخیر و تغلیظ به ۵۰ درصد افزایش می‌یابد.

مزایا و معایب روش الکترولیز آب‌نمک

✅ مزایا:
✔ اقتصادی‌ترین روش تولید NaOH در جهان
✔ تولید محصولات جانبی ارزشمند (کلر و هیدروژن)
✔ قابلیت تولید NaOH با خلوص بالا (در روش غشایی و جیوه‌ای)
✔ سازگار با محیط زیست (در فناوری سلول غشایی)
❌ معایب:
❌ نیاز به مصرف بالای برق (فرایند انرژی‌بر است)
❌ هزینه بالای تجهیزات اولیه (مخصوصاً در روش غشایی)
❌ امکان انتشار گاز کلر (در صورت عدم رعایت استانداردهای ایمنی)

مقایسه روش‌های مختلف کلر-آلکالی

فرایند تولید هیدروکسید سدیم (NaOH) از طریق واکنش سودا-آهک

روش سودا-آهک (Soda-Lime Process) یکی از روش‌های قدیمی تولید هیدروکسید سدیم (NaOH) است که در گذشته به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گرفت. این روش بر پایه واکنش بین کربنات سدیم (Na₂CO₃) و هیدروکسید کلسیم (Ca(OH)₂) است.
این روش امروزه به دلیل مصرف زیاد انرژی و هزینه‌های بالا، کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
با این‌که روش کلر-آلکالی (الکترولیز آب‌نمک) امروزه جایگزین روش سودا-آهک شده است، این فرایند هنوز هم در برخی صنایع خاص و مقیاس‌های کوچک به دلیل دسترسی آسان به مواد اولیه و عدم نیاز به تجهیزات الکترولیز پرهزینه مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در ادامه به طور مختصر به این مطلب می پردازیم :
واکنش شیمیایی:

Na2​CO3 ​+ Ca(OH)2​→۲NaOH + CaCO3

(کربنات سدیم + هیدروکسید کلسیم → هیدروکسید سدیم + رسوب کربنات کلسیم)

مراحل فرآیند:
۱. مخلوط کردن کربنات سدیم با محلول آهک (Ca(OH)₂)
۲. واکنش شیمیایی و تشکیل هیدروکسید سدیم در محلول
۳. جدا‌سازی کربنات کلسیم رسوب کرده از محلول
۴. تبخیر و تغلیظ محلول NaOH تا غلظت ۵۰ درصد
مزایا و معایب روش سودا-آهک
✅ مزایا:
• عدم نیاز به الکترولیز و مصرف برق بالا
• مواد اولیه ارزان‌تر نسبت به روش الکترولیز
❌ معایب:
• تولید ضایعات جامد زیاد (کربنات کلسیم)
• راندمان پایین و تولید محدود
• نیاز به حجم زیادی از آب و انرژی برای جداسازی رسوبات

تولید از واکنش سدیم فلزی با آب

این روش بیشتر در آزمایشگاه‌ها و موارد خاص استفاده می‌شود، زیرا سدیم فلزی ماده‌ای بسیار واکنش‌پذیر و خطرناک است.
واکنش شیمیایی:

۲Na + 2H2​O→۲NaOH + H2

(سدیم فلزی + آب → هیدروکسید سدیم + گاز هیدروژن)

✅ مزایا:
• واکنش سریع و ساده
• تولید خلوص بالای NaOH
❌ معایب:
• بسیار خطرناک و انفجاری
• نیاز به سدیم فلزی که تولید آن هزینه‌بر است
• کاربرد محدود در صنعت

مقایسه روش‌های تولید هیدروکسید سدیم

کاربردهای صنعتی هیدروکسید سدیم

هیدروکسید سدیم در بسیاری از صنایع کلیدی استفاده می‌شود، از جمله:
✅ صنایع کاغذ و خمیر کاغذ: حذف لیگنین از چوب در فرآیند کرافت
✅ صنایع شوینده: تولید صابون و مواد شوینده
✅ صنایع پتروشیمی: تنظیم pH و تولید مواد شیمیایی دیگر
✅ صنایع غذایی: تصفیه روغن، فرآوری شکلات و تولید کاکائو
✅ تصفیه آب و فاضلاب: تنظیم pH و حذف فلزات سنگین
✅ تولید آلومینیوم: در فرآیند بایر برای استخراج آلومینا از بوکسیت

جمع بندی، هیدروکسید سدیم ماده شیمیایی پرکاربرد

هیدروکسید سدیم به عنوان یک ماده شیمیایی پرکاربرد، نقش کلیدی در صنایع مختلف ایفا می‌کند. روش‌های تولید صنعتی این ماده، به ویژه فرآیند کلر-آلکالی، از نظر فنی پیشرفته و از نظر اقتصادی مقرون به‌صرفه هستند. با این حال، مدیریت چالش‌های زیست‌محیطی و کاهش مصرف انرژی از جمله مواردی است که نیاز به توجه بیشتری دارد.