湿法冶金的起源——胆铜法

作者:邢润川
胆水炼铜,以我国为最早,是湿法冶金的起源,在世界冶金史上占有光辉的一页。

在漫长的历史长河中,我们的祖先在冶炼铜和铁、应用铜铁器的实践中,以及在探索各种物质所进行的变化的一些实验工作中,逐渐对铁和铜的盐类相接触而发生的化学作用有了一些认识。

早在西汉成书的《淮南万毕术》里,就有“曾青得铁则化为铜”的话。曾青又有空青、白青、石胆、胆矾等名称,其实都是天然的硫酸铜。硫酸铜一般呈蓝色结晶体,因在空气里部分风化失掉水分成为白色,所以曾青又叫白青。东汉时的著作《神农本草经》也有“石胆……能化铁为铜”的记载,这和上面的话是一致的。晋葛洪《抱朴子内篇·黄白》中也有“以曾青涂铁,铁赤色如铜”的记载。南北朝时期陶弘景所作的实验,又扩充了以前的范围,不限于硫酸铜,只要是可溶性的铜盐,就会和铁起置换反应。他说:“鸡屎矾……投苦酒中涂铁,皆作铜色。”苦酒指醋酸。鸡屎矾也许是碱式硫酸铜或碱式碳酸铜。它们和硫酸铜不一样,都是难溶于水的物质,所以要加醋酸使它溶解。以上记载都清楚地表明,铁和铜盐能起反应,把铜盐中的铜置换出来。我们把金属活性顺序表和上面的记载略加比较,就能看出我们的祖先对这一现象认识的深刻程度。几种金属活性顺序依次是:钾、钠、钙、镁、铝、锌、铁、锡、铅、(氢)、铜、汞、银、铂、金。金属的位置越排在前面,它的金属活性越强。铁在上面金属活性顺序表中排第七位,而铜却排在第十位(氢除外),说明铁要比铜活动得多。因此,铁能和铜盐起作用而置换出铜。

我们的祖先并没有仅仅停留在上述这一认识上。到了宋元时期,或许还稍早些,已经发展成湿法炼铜的胆铜法而应用于生产上,成为大量生产铜的主要方法之一。

所谓胆铜法,就是把铁放在胆矾(就是水合硫酸铜)溶液(俗称胆水)里使胆矾中的铜离子被金属铁所置换而成为单质铜沉积下来的一种产铜方法。这种产铜方法有许多优点。它可以就地取材,在胆水多的地方设置铜场;设备比较简单,技术操作容易,成本低,只要把铁薄片和碎块放入胆水槽中,浸渍几天,就能得到金属铜的粉末。胆铜法可以在常温下提取铜,不必像火法炼铜那样需要高温,这样既节省大量燃料,又不必使用鼓风、熔炼等设备。胆铜法还可以使含有铜的贫矿和富矿都能作原料用。

由于社会经济的发展,宋代铸币感到铜原料不足,而湿法炼铜的胆铜法具有上面的许多优点,所以宋代对胆铜法很重视,应用这种方法生产铜的地方很多,据宋代文献记载,就有十多处。其中以韶州岭水(今广东曲江)、信州铅山(今江西铅山)、饶州德兴(今江西德兴)三场最著名,规模也最大。北宋胆铜产量每年达一百多万斤,占当时铜总产量的百分之十五到二十五。南宋铜产量虽大减,胆铜比重却比以前都高,宋高宗绍兴年间(公元1131年到1162年)胆铜占总产量的百分之八十五以上。

胆铜的生产过程包括两个方面:一是浸铜,二是收取沉积的铜。各场所用方法,有同有异,但总括起来大概有三种:一种是在胆水产地就近随地形高低,挖掘沟槽,用茅席铺底,把生铁击碎,排砌在沟槽里,把胆水引入沟槽浸泡,分节用木板闸断,看上去呈阶梯状。利用铜和铁颜色不一,浸泡后待颜色改变,说明胆水里的铜离子已被铁置换。然后把浸泡过的水放走,把茅席取出,沉积在茅席上的铜就可以收集起来。再引入新的胆水,周而复始地进行生产。另一种是在胆水产地设胆水槽,把铁锻打成薄铁片,排置槽中,用胆水浸没铁片,浸渍几天,薄铁片表面便有一层“赤煤”(铜的粉末)覆盖。把薄铁片从胆水槽中取出,刮取铁片上的“赤煤”。因“赤煤”几乎全是单质的铜,把它放入炼炉里略加炼制,就得纯铜。这种方法和上法大同小异,只是比前法费事得多。不过把铁锻打成薄片浸铜,是有道理的。因为同样重量的铁,用薄铁片浸铜可增加铁的表面面积,加大铁和胆水的接触面积,使铁和胆水中的铜离子接触机会增多,这样既能缩短炼铜时间,又可提高铜的产量。第三种是煎熬法,把胆水引入用铁所做的容器里煎熬。这里盛胆水的工具既是容器,又是化学作用的参加者。煎熬一定时间,就在铁容器上得到铜。煎熬法的长处在于加热和煎熬过程中胆水由稀变浓,都可加速铁和胆水中铜的置换反应,但是这种方法毕竟要用燃料,还需要专人操作,成本高,工多而利少。所以宋代胆铜生产多数胆场基本上用前两种方法。在胆铜生产中,浸铜时间随胆水浓度等不同而有长有短。元末明初的危素(1303—1372)在《浸铜要略序》(见《危太朴文集》)中对饶州兴利场的浸铜时间作了说明:“……其泉三十有二,五日一举洗者一,七日一举洗者十有四,十日一举洗者十有七。”浸铜一次所需时间不同也是符合实际情况的,因为要浸得一定数量的铜,胆水越浓,含铜离子越多,浸铜时间可短些;胆水稀,含铜离子少,浸铜时间就要长一些。《浸铜要略》一书是北宋哲宗(公元1086年到1100年在位)时张潜所撰。危序所反映的当是书中所记述的宋代的情况。综上所述,从浸铜、取铜方法优劣的比较,到浸铜时间的掌握,说明湿法炼铜的胆铜法在宋代已经发展成一套比较完善的工艺。

在欧洲,湿法炼铜出现比较晚。十五世纪五十年代,人们把铁片浸入硫酸铜溶液,偶尔看见铜出现在铁表面,还感到十分惊讶,更谈不上应用这个原理来炼铜了。
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