47.氮循环与硝田
公元944年农历八月初五,肇新寨正式开放商业,允许百姓、工匠开立店铺,买卖商品。为了促进小社会正常运转,姜明给每户百姓和工匠免费发放了1至2贯铜钱,算作前段时间干活的工钱。
“大家排好队,每户百姓都能领到钱。”苏佚对着排队的百姓道:“人数少于三人的家庭领1贯钱,超过三人的领2贯钱。以后大家需要什么就拿钱到店铺买,给革命军做工也能领到工钱,大家的日子肯定会越来越好的。”
哗哗哗,百姓们鼓起了热烈的掌声。这次发放的铜钱都是新铸造的“开元通宝”,每个铜钱直径2.5厘米,厚1毫米,中间方孔边长0.65厘米,重量约4克。
之所以铸造唐初以来的开元通宝,而不是铸造新币,也是考虑到地盘太小,仍需要和外部交易才能补充物资,开元通宝现在也是通用货币,省去兑换的问题。等地盘大了,姜明肯定要铸造新币的,不过货币体制就完全不一样了。
这次需要发放的铜钱差不多400贯,覆盖了所有的百姓、匠户、军属,算是一次性完成体制的转变。
不过,姜明只发了一个月的饷钱给士兵们零用,其它的都记账上。军政官早就做了洗脑宣传,大体意思是:有家属的可以每个月领钱,没有家属的就让军政官保管,反正钱也没有地方用,等以后成家了,一次性发放。
宋朝之前的朝代,士兵打仗很少有工资,都是管饭而已。唐朝前期是府兵制,打仗的兵器、粮食都要自己准备,府兵制破坏后,才有一点工资,大部分以粮食、食盐等形式发放。所以,每个月都领工资、吃饭伙食还好的募兵制,士兵们不要太爽。虽然单身狗只拿了一点零用钱,但钱还是在账上的,就看什么时候娶到婆娘了。
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“姜兄要带我去哪里?”与姜明一起走出督军府后,卢婷悦问道:“不是说给我看硝石么?”
姜明指着前面的棚子,笑道:“就是带你去看硝石啊,不过还在生产当中。看,硝石就在那里。”
“可是,怎么好像有一股怪味?”卢婷悦捏着鼻子,空气中飘荡的尿骚味太难闻了,所以委婉表达出来而矣。
姜明哈哈一笑,道:“是不是想说有股尿骚味,哈哈,硝石就是用尿里提炼的。”
姜明虽然知道一些明、清朝的硝石矿,可都不在海南,所以他只能从土硝想办法。参照古代生产土硝和17-18世纪欧洲“堆粪制硝”的方法后,姜明设计出了科学硝田。
“堆粪制硝”的化学原理是利用空气和土壤中的微生物分解粪尿中的尿素,从而转化成硝酸盐。具体步骤是:土壤中的氨化细菌先将粪尿中的尿素和含氮有机会分解成氨气,一部分氨气流失到空气中,一部分被土壤中的硝化细菌氧化成硝酸。
粪便只是比尿液多了一些含氮有机物,像蛋白质、多肽之类的,而且“堆粪法”生产硝石太臭了,姜明不喜欢,便做了大幅的改进,主要用尿液生产硝石。
听了姜明的调笑,卢婷悦白净的脖颈上涌出一抹羞红,低声问道:“难道尿水就在那房子里变成硝石?原理是你说的自然科学吗?”
硝田离城墙不远,位置在谷口和百姓住宿区之间,处在通风最好的位置,面积接近1000平方米。硝田实际上由10块长方形的小硝田组成,长和宽分别为200米、5米。硝化细菌害怕阳光照射,因此每个硝田都沿着长边砌上5米高的砖墙,架上横梁、铺上瓦,远处看上去跟长方形的房子一样,硝田的短边都是开着的,对着谷口的通风位置。
姜明点点头,道:“对,都是自然科学的知识,但里面的机理非常复杂,我也只是知道一些表面的原理。”
姜明在后世养过几条金鱼,知道鱼缸要添加硝化细菌,否则鱼很容易养死。他是一个非常严谨的人,这也是做股票投资养成的习惯,碰到了新知识,就一定要看报告、查资料搞清楚,否则很容易被上市公司欺骗。所以,他特地了解了一下氮循环的知识,氨化细菌、硝化细菌的知识都是那时候积累的。
卢婷悦很喜欢听姜明讲自然之理,欣赏他那种自信、洒脱的谈吐风度,其实就是后世的花痴,因此娇声问道:“姜大哥,虽然我不能完全听懂你讲的那自然之理,但还是希望你给我讲讲其中的道理,可以吗?”
美女的要求能拒绝吗?当然不行,雄性荷尔蒙飙涨的姜明昂首挺胸,指着硝田,道:“我们平时见到的土壤里面有两种细菌,一种是氨化细菌,会将尿液中的尿素转化成氨气;被土壤中的另一种叫硝化细菌吸收,氧化成硝酸,硝酸与土壤中的金属离子结合成硝酸盐;最后利用草木灰,合成硝石。”
实际的操作比这复杂多了,需要全方面的周详考虑。
第一,氨化细菌是异养型细菌,因此尿液中需要添加有机物,欧洲用粪制硝,就是粪中有少量含氮有机物,姜明则是将鱼肉晒干,磨成粉,添加的尿液中。
第二,氨化细菌适合生活在中性土壤中,而尿液中含少量尿酸,因此需要用少量石灰中和尿液;硝化细菌将氨气氧化成硝酸,因此也需要在尿液中添加石灰水,中和硝酸,通过复分解反应,生成硝酸钙。
第三,硝化细菌是好氧型,适宜温度为25至30度,因此姜明特地在硝田上加盖房子、做好通风,还定期让工人翻翻土壤;海南虽然处在热带,但因为四面环海,又是热带季风气候,因此全年温度不是很高,也就30度左右,虽然不是最适宜温度,但也够用。
卢婷悦一副认真听讲的模样,还不时点点头,待姜明讲完,又问道:“那每个月可以生产多少硝石呢?”
姜明道:“按我的度量衡计算,理论上每天可以生产12公斤硝石,不过现在产量没这么高,后面会不断提高的,等生产方式成熟了,产量还会更高。”
姜明确实经过认真实验和测算了的,孙皓也跟着闻了几天尿骚味。尿液中水分的含量是97%,姜明根据后世经验,猜测尿素含量为1.5%,无机盐含量为1%,因此尿液的含氮量为0.7%。成人每天平均排尿为1.5升,革命军全天达4500升,姜明修建公共厕所即有卫生的考虑,也有堆肥和生产硝石的考虑。假设每天收集到1000升尿液,尿素含量为15公斤,根据分子式推算氮元素的质量为7公斤。
尿液中无机盐主要是氯化钠、硫酸钾等,这是姜明做尿检的时候看到的,只是不记得含量罢了。尿素转化成硝酸后,被尿液中的氢氧化钙中和,生成硝酸钙。因此,随着硝田不断降解尿液,土壤中的硝酸盐增加,有些土壤旁边生成晶体。
将晶体旁边的土壤收集起来,放到开水池里面淋煮,静置后,取出上层液体,经过几层过滤,得出较为澄清的溶液。尿液中的硫酸钾会与硝酸钙反应,生成硝酸钾,硫酸钙则沉淀过滤掉,因此溶液主要物质是氯化钠、硝酸钙、硝酸钾等。
草木灰加入水中溶解、过滤后,溶液主要含有碳酸钾。两种溶液混合后,发生复分解反应,碳酸钙沉淀、过滤掉,溶液中便只剩下硝酸钾和氯化钠。
最后,利用硝酸钾和氯化钠的溶解度曲线不同,氯化钠在不同温度的溶解度变化不大,这个姜明已经实验得到。将含有两者的溶液加热,氯化钠首先饱和析出,到一定程度后,将热溶液倒到另一个桶中冷却,硝酸钾随着温度降低,溶解度大幅下降,溶解不了的硝酸钾慢慢结晶析出。用这种方法可以得出非常纯净的硝酸钾晶体。
姜明初期只用1000L尿液,假设只有30%的氮转化为硝酸根,一部分成为氨气进入空气中,一部分没转化或流失了。根据元素质量守恒,那么2.1公斤氮转化为硝酸钾,质量是15公斤,就算只能分离出80%,也有12公斤。
中间所有过程,姜明都用理论推导过,包括硝田的面积,也是结合当地的水分蒸发量计算的,1000升尿液也就1立方米,铺在1000平米的硝田,深度为1毫米,肇新寨附近,每天的水分蒸发量为5毫米,通风的室内蒸发量接近2毫米,因此未来每天消化2立方米尿液也是可以的,做到日产24公斤硝石。
现在土壤中的氨化细菌和硝化细菌的含量还不高,随着细菌的不断繁殖,硝石的产量会不断不提升,最终达到日产量12公斤左右,年产硝石4.38吨,按硝石在黑火药的质量占比计算,可以制造出6吨黑火药。
“要是能开采到硫磺矿就好了,唉!”
“其实硫磺可以交易得到,这次我不就带来一百多斤硫磺吗?”
姜明只能摊摊手,道:“现在革命军人少,交易来的少量硫磺还能应付,以后肯定是不够的,还是要想办法提炼硫磺。”
卢婷悦道:“到时候,姜兄肯定会有办法的。走了,这里味道太难闻了。”
说完,便喊着姜明离开了硝田。
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