远在几千年前,劳动人民就开始使用碱了。在没有工业生产方法之前,人们所需要的碱都取自天然碱和草木灰,从天然碱湖中采得或从含碱植物灰中制造。

最初,人们将碱用于洗涤以及玻璃、肥皂、皮革制造等方面,随着工业的发展,碱的应用越来越广泛,仅仅依靠采集的天然碱已不能满足需要,因此产生了大量人工制碱的需求。

1791年,法国人路布兰成功研究出以食盐为原料的制碱法,即路布兰法。该法首先用硫酸和食盐制取硫酸钠,然后再将硫酸钠、石灰石和焦炭按照100∶100∶35.5的重量比混合,在反射炉内煅烧(900℃~1000℃),生成熔块(黑灰),再经浸取、蒸发、煅烧等过程制得纯碱。

用路布兰法生产纯碱曾经盛行一时,但是该法不能连续生产,原料不能充分利用,并且设备腐蚀严重。随着生产的发展,人们又在探索新的制碱方法。

1861年,比利时人索尔维综合前人的工作并进行了改进,于1863年实现索尔维法制碱,即现在所称的氨碱法。此法以原盐、石灰石为原料,借助氨的媒介作用,经过石灰石煅烧、盐水精制、盐水吸氨、碳酸化、过滤、煅烧、母液蒸馏等工序制得纯碱。

氨碱法由于具备原料价廉易得,生产连续,产品纯度高,适合大规模生产等优点,很快取代了路布兰法。不过依然存在两个难以克服的缺点:一是食盐的利用率低,二是废液排放量大。每生产1吨纯碱大约排放10立方米无法处理的废液,因此,国内外氨碱厂大部分都建设在沿海地区或西北地区。

1943年,我国“现代化工的先驱”、制碱专家侯德榜博士,针对索尔维法生产纯碱食盐利用率低,制碱成本高,废液、废渣污染环境和难以处理等不足,带领技术人员,经过上千次试验,在1943年成功研究出新的制碱方法——联合制碱法(侯氏制碱法)。该方法将合成氨厂和纯碱厂建在一起,联合生产纯碱和氯化铵。该工艺使食盐利用率从70%一下子提高到96%,也使氨碱法排放的无用的氯化钙转化成化肥氯化铵,同时解决了环境污染的难题。1943年,中国化学工程师学会一致同意将这一新的联合制碱法命名为“侯氏联合制碱法”。这种方法把世界制碱技术水平推向了一个新高度,使合成氨和制碱两大生产体系有机地结合起来,为世界纯碱工业作出了重要贡献,赢得了国际化工界的极高评价,在人类化学工业史上写下了光辉的一页。

延伸阅读

侯德榜的故事

侯德榜(1890年8月9日—1974年8月26日),是我国著名科学家、化学家、中国重化学工业的开拓者、中国近代化学工业的奠基人之一,同时也是全球制碱业的权威。

侯德榜出生在福建省闽侯县一个普通农家,祖父和父辈都是普通农民,家庭生活较为贫苦。他小时候就常常下地帮家里干农活,虽然辛苦劳作,但也在闲暇时抓住一切可以利用的碎片时间努力学习。1903年,侯德榜在姑妈的资助下到福州英华书院学习三年,1907年又到上海学习了两年的铁路工程专业知识,毕业后找到了一份工作。但侯德榜对知识的渴求并未终止,两年后,侯德榜放弃工作并考入北平清华留美预备学堂,并获得10门功课1000分的优秀成绩。

1913年,侯德榜作为清华学堂第一批毕业生的第一名,获取了赴美留学的机会,他以优异的成绩被保送至美国麻省理工化工科学习,四年后顺利毕业获得学士学位。随后,侯德榜又分别在1917年到普拉特专科学院学习制革、1918—1919年加入哥伦比亚大学研究院研究制革并获得硕士学位,1921年获得博士学位。就在侯德榜即将学成归国之际,他遇到了赴美考察的实业家范旭东,“科学救国”和“振兴民族工业”的共同理想让二人一拍即合,最终,侯德榜拒绝了纽约一份待遇优渥的工作,回国加入天津塘沽永利碱厂,此后便开始了他半个多世纪的科学救国、实业救国的艰难历程。

1921年,侯德榜受范旭东邀请,回国承担天津塘沽永利碱厂的筹建工作,并出任永利技师长(即总工程师),负责永利碱厂的技术攻克问题。当时,全球制碱技术和市场被少数几个国家垄断,虽然永利碱厂成功筹建,却面临诸多技术和设备上的阻碍,生产出的纯碱也都为劣质纯碱。在种种垄断和困境下,永利碱厂花重金买到一份“索尔维制碱法”的简洁资料。在与范旭东以及其他科学家的共同努力钻研下,侯德榜攻克了我国制碱方面的技术难题,终于在1926年首次生产出了合格的批量碱,打破了西方70多年来对制碱技术的垄断。

1934年永利集团决定进军化肥行业,再次拓展国内化工行业维度,建设兼产合成氨、硝酸、硫酸、硫酸铵于一体的南京铔厂,侯德榜全面负责筹建,并担任厂长兼技师长。历时近三年,这座重化工联合企业终于在1937年1月建成并一次试车成功,顺利投入生产。因其生产技术达到了国际化的水平,为后期国内其他工厂的建设提供了丰富的经验和批量化工人才。

1937年日本帝国主义在“七七事变”中逐步逼近南京,他们前后多次以工厂安全问题相要挟,力图想收买侯德榜,并提出“合作”管理南京铔厂的要求,但都遭到侯德榜和厂内其他同胞们的严正拒绝。同时,侯德榜还带领大家利用工厂设备生产硝酸铵炸药和地雷壳等抗战物资,支援前线。

天津沦陷后,为了不使碱厂落入敌手,侯德榜决定把工厂迁到四川,在川西五通桥筹建全新的永利川西化工厂。但当时永利碱厂的制碱原料是食盐,而四川都是井盐,用井盐制碱既要多出从井底提吊的工程,又要将井盐进行浓缩,制盐成本会大幅提升。当时四川的资源条件并不适合工厂继续沿用此前的索尔维制碱法,再加上索尔维法的食盐利用率仅有70%多,这意味着30%左右的食盐会被白白浪费,于是侯德榜决定另寻他法,再次踏上了探索和钻研之路。虽然1939年侯德榜也曾率队到德国谈判购买制碱方法的专利,但西方列强提出了不平等条约,于是侯德榜立即中止谈判,并立志要发明属于我们自己的制碱方法。

为了研究新的制碱方法,侯德榜首先分析了索尔维制碱法的缺点。他发现在原料成本的利用方面,除了食盐中的钠离子和石灰中的碳酸根组合生成碳酸钠(即纯碱)之外,其他的成分如食盐中的氯离子和石灰石中的钙成分都基本无法利用。如何变废为宝、提升原料利用率便成了侯德榜攻克制碱工艺的第一大难题。他曾设计诸多方案,但随后也都被一一否定,最终才想到把索尔维制碱工艺和合成氨工艺相结合,不仅能够大大提高食盐的利用率,还可以通过将氯化铵作为化肥或者化工原料而提升副产品的经济价值,除此之外,在生产过程中还能够省去许多石灰窑、化灰桶、蒸氨塔等设备和环节。

为了验证以上设想,侯德榜又带领技术人员进行了500多次试验,分析了2000多个样品,终于让设想得以实现。该制碱法利用合成氨系统排出的二氧化碳,省去了石灰窑、蒸馏等设备和步骤,同时还能够获得纯碱和氯化铵两种具有实用价值的产品。这种新的制碱法既使盐的利用率从索尔维制碱法的70%提高到96%,还将污染环境的氯化钙替代为化肥氯化铵,同时减少了三分之一的设备,各方面的优势都远超索尔维制碱法。1943年,中国化学工程师学会一致同意将这一制碱法命名为“侯氏联合制碱法”,又称侯氏制碱法。

除了侯氏制碱法,侯德榜在化肥工业也有巨大贡献。新中国成立初期,国家建设迫切需要大量化肥,而关键点又在于氨加工的品种选择方面。此时,侯德榜提议用碳化法合成氨工艺来制备碳酸氢铵,而这项新的化肥生产工艺在不断攻克技术难关,克服资金紧张等阻碍的情况下迅速在全国推广。

侯德榜在实业救国方面的主要贡献有:第一,揭开了索尔维制碱法的神秘面纱,打破了制碱工艺被西方垄断的局面;第二,发明了属于中国人自己的制碱工艺——侯氏制碱法;第三,对我国化肥行业作出突出贡献。除此之外,他还著有《碱的制造》《制碱》《制碱工学》等10部专著和书籍,发表了近70篇论文,为全球化学事业作出了杰出贡献。侯德榜先生受到了各国人民的尊敬和爱戴,并被英国皇家学会聘为名誉会员(当时其国外会员仅有12人,亚洲仅中国、日本两国各一名)。随后,美国化学工程师学会和美国机械工程师学会,也先后聘侯德榜先生为荣誉会员。但他始终牢记自己是一个中国人,并明言:“我的一切发明都属于祖国!”他用实际行动完成了“科学救国”“实业救国”的坚定理想,呕心沥血地为祖国的化学工业事业奋斗至生命的最后一刻。