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如何在古代工业技术水平下制造现代化工产品(以吨计数)?

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  • TA的每日心情
    郁闷
    2021-8-8 19:41
  • 发表于 2021-10-5 13:07:22 来自手机 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    本帖最后由 SPECTRE 于 2021-10-5 13:11 编辑

    很多简易的小化工生产完全可以用锅碗瓢盆外加火炉等手工生产,只要有合适的原料,举几个例子:

    1、氢氧化钠

    原料:天然碱、生石灰(如果是石灰石,需要先建石灰窑煅烧)
    简易生产工艺流程:

    天然碱主要成分是含有结晶水的碳酸钠(Na2CO3)以及倍半碳酸钠(可表示为Na2CO3·NaHCO3·2H2O),将天然碱配制成一定浓度的溶液,例如10%—12%的碳酸钠溶液,置铁锅中小火加热,按照化学计量比,先将生石灰消化成熟石灰,将稍过量的熟石灰投入热的天然碱溶液中进行苛化:

    2NaHCO3 + Ca(OH)2 = Na2CO3 + CaCO3↓ + 2H2O
    Na2CO3 + Ca(OH)2 = 2NaOH + CaCO3↓

    由于Ca(OH)2是微溶物,因此苛化需要加温并搅拌,而且需要一段时间(一般1—2小时),苛化完成后,静置沉淀,取上清液即稀的NaOH溶液(一般可做到10%左右),置铁锅中大火加热蒸浓(铁比较耐热浓NaOH溶液腐蚀),即得液碱(30%以上的NaOH溶液)或者固体烧碱。

    溶液浓度可用简易比重计进行测量和控制,简易比重计用木棍一端缠铁丝,使之能够竖直浮在水中(类似钓鱼的浮漂)即可,然后用水、饱和食盐水等已知密度的液体进行简易标定。

    只要靠近天然碱产地,或者有足够的天然碱来源,加上足够的场地和工人,产量完全可以以千斤或者吨计。

    2、氢氧化钾

    原料:草木灰、生石灰
    简易生产工艺流程:

    与苛化法制氢氧化钠相似,只是第一步先制取草木灰浸出液,即以K2CO3为主要成分的溶液,如果浸出液有带颜色杂质,可考虑用木炭、骨炭等进行吸附脱色,然后和生产氢氧化钠一样进行苛化:

    K2CO3 + Ca(OH)2 = 2KOH + CaCO3↓

    其余工艺与NaOH基本相同。

    3、硝酸钾

    原料:硝土(猪圈、厕所等富含含氮有机物之地的陈土)、草木灰
    简易生产工艺流程:

    硝土中含有硝酸盐,来源是土壤中尿素等含氮有机物水解成氨之后,在硝化细菌的作用下生成硝酸,然后与土壤中的矿物质结合生成的硝酸盐,含硝酸钠、硝酸钾、硝酸钙等,也含有氯化钠等杂质。

    将硝土与草木灰按一定比例混合后,水浸,即发生下列反应:

    Ca(NO3)2 + K2CO3 = 2KNO3 + CaCO3↓

    除硝酸钾和硝酸钠之外,其余硝酸盐都转化成为不溶性碳酸盐。

    将浸出液过滤,大火加热蒸浓(俗称熬硝),高温下,硝酸钾和硝酸钠溶解度很大,但氯化钠溶解度随温度升高几乎没有增加,相对硝酸钾和硝酸钠溶解度最低,因此氯化钠最先结晶析出,这样氯化钠杂质就被除去,趁热过滤除去氯化钠结晶,冷却溶液,硝酸钾溶解度随温度降低下降最快,因此硝酸钾首先析出,硝酸钠、残余氯化钠等杂质析出较少,于是得到了含有少量杂质的硝酸钾,即土硝或者火硝,如果纯度不足,可以重结晶提纯。

    民间制火药所需的硝酸钾就是这样生产的,此方法一直用到TG根据地,产量可以以斤计,大量生产时也可以按千斤甚至吨计。

    4、氧化汞

    中医药用化合物,俗称三仙丹、红升丹或者红粉,是一种外科消毒防腐药,具有极强的抗菌能力,但也有较强的毒性,只可外用不可内服。现代西医仍然在使用的红药水(汞溴红溶液)是一种有机汞化合物,同样作为外用消毒防腐药。

    原料:天然明矾(含结晶水的硫酸铝钾)、火硝(硝酸钾)、水银(汞)。
    简易生产工艺流程:

    中医采用“炼升丹法”炼制,先将明矾、火硝和水银按照一定比例充分混合,置于耐高温厚陶罐(丹罐)或者厚铁锅(丹锅)中,倒扣上一个大粗瓷碗,缝隙用石膏粉调水等方法封固。

    用木炭进行高温加热,高温下发生下列反应(实际反应很复杂,仅为说明原理的主要反应):

    2[KAl(SO4)2·12H2O] = K2SO4 + Al2O3 + 3SO3↑ + 24H2O↑
    SO3 + H2O = H2SO4
    KNO3 + H2SO4 = KHSO4 + HNO3↑
    Hg + 4HNO3 = Hg(NO3)2 + 2NO2↑ + 2H2O
    2Hg(NO3)2 = 2HgO + 4NO2↑ + O2↑

    高温下HgO升华,凝华在瓷碗底部,反应完成后小心取下瓷碗,可见红色和黄色的凝结物,即颗粒大小不同的HgO,也就是现代所说的红色氧化汞和黄色氧化汞。

    产量可以以钱、两甚至斤计,不过这属于药物生产,产量自然不能与大宗化工产品相比。

    如果在反应物中加入天然绿矾(含结晶水的硫酸亚铁,分解温度比明矾要低)和食盐,则可制得升华又凝华得到的氯化汞(升汞),剧毒物,但少量可做为外科腐蚀剂,中医称为“白降丹”,升汞现代仍可做为消毒剂。

    利用一些天然产物和粗加工产品,例如明矾、绿矾、食盐、火硝、硫磺、石灰石、天然碱、铬铁矿、水银、银、草木灰、酒、醋等,可以生产出很多简易化学化工产品,例如硫酸、硝酸、盐酸、雷酸银(枪炮击发药)、雷酸汞(枪炮击发药或者雷管)、氯酸钾(拉火管或者火柴)、铬酸盐(用于金属表面钝化防腐)等,毕竟现代化学的源头,就是利用这些天然产物和粗加工产品作为原料的炼丹术。

    至于需要电解制造的化工产品,古代确实没有电解条件,但现代很多用电解法制造的化工产品,其实可以不用电解法制造,氢氧化钠就是一个典型例子,现代主要是氯碱工业——电解饱和食盐水的产品,但也可以通过天然碱苛化法制造。

    至于一些活泼金属,也并非一定需要电解制造的,举几个例子:

    1、土法制钠

    高温(500—700摄氏度以上,最终要将钠变成钠蒸气需要950摄氏度左右的高温)下,碳可以还原NaOH:

    4NaOH + 2C = Na2CO3 + 2Na↑ + 2H2↑ + CO↑

    (用“土法制钠”作为关键字,在CNKI上可找到相关文献)

    产物H2和CO都是气体,高温下产物钠也变成钠蒸气,反应熵增ΔS很大,因此根据ΔG=ΔH-TΔS,尽管ΔH>0(吸热反应),高温下有可能TΔS>ΔH,导致ΔG<0,反应仍然可以自发进行。现代工业冶炼金属钾,高温下Na + KCl = NaCl + K↑原理与之本质相同。

    2、铝的钠还原法冶炼

    将铝土矿、食盐和碳粉混合,通入氯气加热,得到低熔点的NaAlCl4复盐:

    2Al2O3 + 4NaCl + 3C + 6Cl2 = 4NaAlCl4 + 3CO2

    用金属钠热还原NaAlCl4复盐,即得金属铝(化学方程式略),没有电解法之前铝就是这样制取的,因此当时铝价格很贵,可制成奖品等(门捷列夫就得到过铝杯奖品)。

    3、镁的“横罐硅热还原法”(“皮江法”)冶炼

    将白云石(MgCO3·CaCO3)煅烧得到MgO·CaO,与硅铁粉和萤石(CaF2)粉混合(萤石粉作为催化剂),制成球团,装入还原罐,抽真空,高温加热:

    2MgO·CaO + Si = 2Mg↑ + CaO + CaSiO3

    (CaO起了与SiO2反应造渣作用,与炼铁造渣原理基本相同)

    Mg蒸气在还原罐冷却区域凝结成镁晶体,冷却后开罐,取出镁晶体,可以进一步熔炼得到镁锭。国内小炼镁厂广泛使用该方法冶炼,因为耗电比电解法少得多,投资也小。
    载自知乎
    如何在古代的工业技术水平下制造现代的化学药品(以吨计数)? - Studio TBsoft的回答 - 知乎
    https://www.zhihu.com/question/55279672/answer/143749953
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  • TA的每日心情
    开心
    2021-3-1 11:32
  • 发表于 2021-10-8 11:18:53 来自手机 | 显示全部楼层
    看论坛里那本 世界重启  讲的差不多
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