废物利用的先行者

第四节　废物利用的先行者

在可持续发展战略已成共识的背景下，面对资源、能源、环境问题的沉重压力，回顾历史上为利用废物而创造出光辉业绩的先行者们，学习他们的远见卓识和奋斗精神是很有意义的。在璀璨的群星中，霍夫曼、玛丽·居里和侯德榜等人的伟大工作的光芒格外耀眼。

一、霍夫曼

19世纪上半叶由于冶金特别是钢铁工业的发展，焦炭生产受到重视，煤焦油是一种重要副产物。如果你到过煤气站或煤加工企业，一定有机会看到又黏、又黑并且发出异味的煤焦油，它堵塞管道，难于处理，是一种棘手的工业废物。1841年23岁的德国青年化学家霍夫曼在著名的化学大师李比希的指导下，完成了自己的博士论文《煤焦油的组成的研究》，为煤焦油化学奠定了基础，也为废物利用树立了一块丰碑。在他的第一篇论文中，霍夫曼证明煤焦油中存在苯胺，他还从由煤焦油蒸馏得到的轻油中分离出硝基苯。1848年霍夫曼又指导自己的学生曼斯菲尔德建立了从煤焦油馏分中分离纯净的苯、甲苯和二甲苯的方法，它们都是基本的特别是生产香料的化工原料。1856年霍夫曼的另一个学生帕金制得了后来工业化生产的第一种人造染料苯胺紫，被认为开有机化工之先河。早年，霍夫曼还发现用氢将硝基苯还原可制得苯胺，这成为后来染料工业的基础。在霍夫曼及其学生群体的努力下，煤焦油的利用成果极其丰富，德国和英国的染料行业则是他们卓越研究的直接受益者。

二、玛丽·居里

沥青铀矿曾经是亚尔塞斯和洛林煤矿的废尾矿，一直没有找到它的用途。1897－1898年，居里夫人在做1896年刚由贝克勒尔新发现的铀射线方面的博士论文时，发现这种矿石比纯粹的铀放射性更强，因此推测其中必含有新放射性元素。从19世纪中叶起，科学界对元素的发现一直抱着巨大的热情和期待；因而当居里夫人弄到几吨沥青铀矿，在巴黎理化学校那潮湿漏雨、四壁透风的小木棚里，用瓦缸坛罐以原始的手工操作寻找微量的未知放射性元素时，她的心情是非常激动的。她的小女儿艾夫·居里为她所写的传记，精彩地记录了她的无限的科研热情和献身精神，如实地反映了她对新技术的高度敏感。

居里夫人用当时能得到的酸、碱处理这些黑矿石，将非放射性成分不断分离出去，结果发现剩下来的物质放射性愈来愈强；最后，用硫化物沉淀法自剩余物的溶液中分离出类似铋的新元素，其放射性比纯铀强400倍。为了纪念祖国波兰，居里夫人把这种新元素命名为钋（Po，polonium），充分表现了华沙少女玛丽·斯多罗多夫斯卡的爱国之情。

居里夫人还观察到不被硫化物沉淀的那一部分物质放射性更强，而且其硫酸盐也不溶于水或酸，即其化学性质与钡很相似，她将它命名为镭（Ra，Radium），意思是赋予放射性的物质。镭的放射性比纯铀强100多万倍。为了确证这种新元素，居里夫人决定将它提取出来。但镭在沥青铀矿中含量甚低，不过一千万分之一，要想得到1毫克纯镭化合物至少要处理几百千克矿石。由于镭的化学性质和碱土金属很相似，而碱土金属在矿石中普遍存在，这样就加大了提纯的难度。这些都难不倒英勇的居里夫人。从1898年到1902年整整4年，她主要用重结晶法从几吨沥青铀矿渣中分离出0.12克纯氯化镭，并初步测定出镭的原子量为225，从而确定它在元素周期表上位于第二族的钡后面，难怪它与钡的分离是那么难。此后，沥青铀矿就成了宝贵的资源。居里夫人的工作是废物利用的典范，她是探索新资源忘我奋进的卓越楷模。

三、侯德榜

我国化工专家侯德榜的杰作“侯氏制碱法”也是资源开发方面的重要成就。这里的碱是指纯碱，即碳酸钠。为了弄清侯氏制碱法的特点，还得从早先的勒布兰和索尔维的制碱法说起。

18世纪后期，作为欧洲工业强国的法国急需大量纯碱，但英法战争和拿破仑入侵使作为制碱原料的西班牙海草灰涨价并断源。1775年法国科学院宣布以12000法郎的巨奖征求以食盐为原料的制纯碱工艺。1791年，50岁的外科医生勒布兰提出的方案中选。他的制碱法的基本反应就是现行中学教科书中制盐酸的一步，先得到硫酸钠，再加石灰石和煤粉高温转化成碳酸钠：

NaCl＋H₂SO₄═══NaHSO₄＋HCl↑

NaHSO₄＋NaCl═══Na₂SO₄＋HCl↑

Na₂SO₄＋2C═══Na₂S＋2CO₂↑

Na₂S＋CaCO₃═══Na₂CO₃＋CaS

勒布兰于1791年建厂开始了纯碱生产。19世纪初，英国的纺织工业迅速发展，洗染业急需大量纯碱。1823年，年轻的工程师马斯普拉特，改进了勒布兰的方法，在纺织工业中心利物浦设厂后，副产品盐酸正式投产，并且又从废物中回收硫，这两种新产品使成本降低，解决了发展纯碱生产的困难，使勒布兰法逐渐兴旺长达百年之久。

事物是不断发展的。勒布兰法虽然几经改进，但仍有明显缺点；主要是基本反应在固相中进行，高温操作，生产不连续化，设备腐蚀严重，产品质量不高，正因为如此该法于1866年被28岁的比利时工业化学家索尔维发明的氨碱法逐渐代替。索尔维法的基本原理是把氨溶于食盐水后，通入二氧化碳以生成碳酸氢钠，收集产物加热分解即得碳酸钠。

此法可以连续生产，明显提高了食盐的利用率，能耗也大幅度降低，由于产品碳酸钠质地纯净而被称为纯碱，全面避免了勒布兰法的缺点，成本显著降低，生产条件大为优化。

尽管如此索尔维法还是存在两大缺点：食盐溶液中的氯离子未得到利用；由于氨在该法中仅起中间体作用，必须用石灰回收，这就会产生氯化钙废渣和废液：

2NH₄Cl＋Ca（OH）₂═══2NH₃↑＋CaCl₂＋2H₂O

侯德榜在10年深入研究的基础上，提出了一种新的制碱方案。即将原来生产过程中得到的氯化铵直接制成产品，进而使氯离子得以利用；省去了用石灰回收氨的工序，免去石灰窑、化灰桶、蒸氨塔等设备及其附属机件，比过去的索尔维法节省设计投资1/3。

新法的一个突出特点是它的综合利用思想。联合制碱的思路把合成氨和纯碱的生产结合起来，互为补充，将食盐溶液中的两种离子即钠离子和氯离子都予以利用，分别转化成碳酸钠和氯化铵，从而使原子利用率达100%，食盐利用率达98%以上，使这一制碱工艺臻于完美境界，在整个化工学中堪称典范。由于开展了综合利用，侯氏制碱法消除了旧的索尔维法蒸氨塔排出的氯化物废液和回收氨过程中产生的吸水性很强的氯化钙废渣，开了当代绿色化学工艺之先河。

侯德榜是勤奋的学习者，1913年23岁时，他以10门功课1000分的特优成绩被清华学堂保送入美国麻省理工学院。他一生著述甚丰，早在1933年就将十多年来自己从事制碱工作的实际经验和研究成果，整理成一本专著《制碱》，由美国化学会刊行了英文版（Manufacture of Soda），这是我国学者最早的英文著述之一。1958年，他又完成了一部80余万字的中文版《制碱工业》大著，这是他数十年实践的结晶，也是化工著作的丰碑。该书在莱比锡国际图书博览会展出，受到举世好评。

侯德榜是热忱的爱国主义者，1920年10月，他回国就任永利制碱公司塘沽碱厂的总工程师，专心致力于发展我国制碱工业，为我国纯碱至今仍为世界名牌打下了坚实基础。1937年抗日事起，他坚拒敌人的威逼利诱，喊出了“宁肯给工厂开追悼会，也决不与日本帝国主义合作”的豪言壮语，历经千辛万苦把刚刚建好并且一次试车成功的工厂迁至内地。

侯德榜是诚挚的真理追求者，1949年5月他绕道韩国回国，为克服重重阻挠，在船上呆了七昼夜。1958年他为设计丹阳化肥厂，尽管已70高龄，仍不顾塔高，而亲身登临，为兴建投资少、见效快、符合“三废”利用原则的小合成氨工业作出了重要贡献。他处事严谨，虽任化工部副部长，但仍亲临生产第一线，一次视察大连碱厂，看到转筒煅烧炉出了故障，他不顾自己已近80高龄，毫不犹豫地冒着80℃的高温，从仅容一人进出的孔中率先爬进去，待故障消除后，最后一个出来。1974年8月26日，这位中国化工之父临终前，留给后人的有一张他签名的元素周期表，表达了他对化学的无比热爱之情。