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🌡️ 📆 令和4年10月8日

02. 1000気圧が生み出す肥料と食料―酸・アルカリ工業と水資源―

山形大学  理工学研究科(工学系)  化学・バイオ工学科  🔋 C1 伊藤智博


ぼくらが生きていく上で欠かせない 空気 産業革命 の立役者、 蒸気機関 だって水がなければ動かないし、そもそも空気がなければ 石炭 が燃やせない。 日本の農業の起源である稲作だって、まさに水が命である。

19世紀の産業革命で 人口が急激に増加、食料危機に見舞われた。 20世紀までの窒素肥料は、 硝酸ナトリウム(チリ硝石)が主体だった。 しかし、「このような鉱石に依存していては急増する人口を養えない、空中窒素を固定する技術を開発する必要がある」と クルックス が主張した。

日本肥料アンモニア協会

こうしてそれまで混ぜるや温めるぐらいしかなかった化学反応に「加圧する」という 単位操作が加わりました。 液体と気体をあわせて流体と呼びます。特に臨界点を超えた状態の流体を、 超臨界流体と言います。 流体をターゲットにした高圧化学の始まりです。 ハーバーもボッシュは、その高圧化学でノーベル賞を受賞した。

ピカッとさいえんす 「圧力、温度、そして触媒」

キューティーハニー(©1973)永井豪,東映 第一話:0950ごろに空中元素固定装置について

アンモニア は、鉄触媒を使って窒素と水素を直接反応させて製造します(ハーバー・ボッシュ法)。 水素と空気を混ぜたって何も起こらないだろうとおもいきや高温・高圧の釜に放り込む発想がすごい。 しかもちょこっと錆びた鉄の釜を使って反応効率が向上するところを発見するなんざ、ハーバーもボッシュもはんぱないアブナイおっさんではないでしょうか。

「おなかが空いちゃはじまらない。だから農業に必要な肥料を量産することは大事なことだった」
「肥料の基本は、植物の生育に欠かせない窒素、リン、カリウム」
「ところが空気の80%も占める窒素だけど、水に溶ける肥料にするとなるとまさに煮ても焼いてもどうしようもない」
「そいつをとことん高圧にしてアンモニアの合成に成功したのがハーバーさんとボッシュさんだ」
「空中窒素固定法として知られているね」
最新工業化学 のp.15にアンモニアの製造方法が書いてある。 」

「ちなみに昭和の漫画家永井豪氏は 空中元素固定装置 とやらをマンガに登場させている」
「たしかに窒素のほかに酸素や水を使えばたいていの合成繊維ができるはずだから、自在にコスプレできるはずだ」
「色気たっぷりのコメディにこんなものを登場させるなんてよく勉強してたんだね」
「キューティーハニーでは変身メカニズムの説明があったけど、セーラームーンではなかったね」

反応釜の画像を検索してみよう。 ごついよねえ・・・高圧と高温の耐えられる容器こそ化学工業の発展に必要なものだったんだ」
「もちろんその容器のルーツは産業革命で活躍した蒸気機関にも使われた ボイラー


温度

Example fillrule-evenodd - demonstrates fill-rule:evenodd 0100020003000400050006000 絶対零度 室温 ハーバーボッシュ法 高炉 鉄の融点 黒鉛化 タングステンの融点 太陽の表面温度
  1 🔥 🌡 温度 T/K
©K.Tachibana

体積と圧力の関係

  2 100
🖱 体積と圧力の関係
©2021 K.Tachibana
ボイルの法則:圧力と体積は反比例:pV=一定
シャルルの法則:体積は温度に比例:V/T=一定
ボイル・シャルルの法則:pV/T=一定
気体の状態方程式:pV=nRT
pV=m/MRT

  3 炭酸ガスボンベ
モノタロウより

ボンベの上に、バルブ(弁)がついています。 ボンベの残量をチェックする一次側圧力計があり、その下にレギュレータがついています。

ボンベは、 業種によってタンクやシリンダーと呼ばれることもあります。 英語での呼び方シリンダーは、産業革命の蒸気機関から由来していることがわかりますね。


  4 バルブ(弁)
モノタロウより

高圧でも外れないようネジが切ってあります。 バルブにもいろいろな種類があります。 *


  5 ブルドン圧力計
モノタロウより

高圧でも外れないようネジが切ってあります。


  6 レギュレータ(圧力調整弁)
モノタロウより

状態図

010020030040050060070080025002000150010005000 温度 T / K 圧力 p / Pa
  7 状態図

温度や圧力によって、物質が固体、液体、気体、超臨界流体のいずれの 状態を示した図を状態図と言います。


物質の状態

  1 物質の状態
状態 密度 粘性/弾性
超臨界流体 密度大 粘性小
気体 密度小 粘性小
液体 密度大 粘性大
固体 密度大 弾性

  2 高圧ガス容器
高圧ガスの分類 ガスの名称 性質 原料/製法 用途
酸素ガス 酸素 空気 製鉄
水素ガス 水素 LNG
液化炭酸ガス 二酸化炭素 消火
液化アンモニアガス アンモニア 空気
液化塩素ガス 塩素 海水 電解
アセチレンガス アセチレン 溶接
可燃性ガス プロパン 石油 燃料
可燃性・毒性ガス 可燃性・毒性ガス
毒性ガス 毒性ガス
その他のガス アルゴン

可燃性ガスと不燃性ガスでは、ねじの切る向きが違います。 *


危険物

  3 危険物
類別/性質 小分類
第一類
酸化性固体
塩素酸塩類 マッチ頭薬 *
過塩素酸塩類
無機過酸化物
亜塩素酸塩類
臭素酸塩類
硝酸塩類
ヨウ素酸塩類
過マンガン酸塩類
重クロム酸塩類
第二類
可燃性固体
硫化リン
赤リン マッチ側薬 *
硫黄
鉄粉
金属粉
マグネシウム
その他のもので政令で定めるもの
前各号に掲げるもののいずれかを含有す るもの
引火性固体
第三類
自然発火性物質及び禁水性物質
第四類
引火性液体
特殊引火物
第一石油類 アセトン、ガソリン
アルコール類
第二石油類 灯油、軽油
第三石油類 重油
第四石油類
動植物油類
第五類
自己反応性物質
第六類
酸化性液体
過塩素酸
過酸化水素
硝酸
安全の手引き,p.25
安全 第一

高温で溶かす、劇薬で化学反応を起こす……、そんな工場のイメージはとても事故が多そうな感じがしますが、実はそうでもありません 1 )

研究開発現場、製造現場、輸送時、製品、廃棄物、食……と安全は多岐にわたる 2 )

各工場では、安全第一の標語をかかげ、生産能率より安全を優先させ、労働災害の防止につとめながら生産活動にあたたっている 3 )

安全の基本

緊急時の対応

火災 爆発 漏洩 地震 事故(けが、急病)

単位操作

  4 単位操作
単位操作の分類 名称 特徴
溶解 溶かす
分離・抽出 濾す
加熱 茹でる、煮る、蒸す
冷却 冷ます
加圧 つぶす、圧力釜 アンモニア
撹拌・混合 混ぜる
解砕・分散 砕く、マヨネーズ、チョコレート
乾燥 干す
蒸留・分留 ウイスキー
ろ過・再結晶・塩析
電解・電析 アルミニウム q.64
✏ 平常演習 Web Class
高圧化学を支える技術について調べよう

化学プラント配管図面記号

  5 化学プラント配管図面記号
要素 記号
バルブ
サイクロン
* *
✏ 平常演習 Web Class
プラント記号を憶えよう

食べるためのアルカリ- 灰汁は人類最初のpH調整剤?-

酸と塩基(アルカリ)

  6 酸と塩基(アルカリ)
材料例 原料/ 製法 用途
塩基(アルカリ) 灰汁(あく) 灰汁抜き、釉
苛性ソーダ(水酸化ナトリウム) 食塩/ 電解 製紙(パルプ蒸解)、 繊維 (紡糸)、中和、二酸化炭素の吸収除去
ソーダ灰(炭酸ナトリウム) 食塩、アンモニア、二酸化炭素/ ソルベー法、安塩ソーダ法 ガラス工業
アンモニア 空気、水素/バーバー・ボッシュ法(空中窒素固定法) 肥料 、硝酸、樹脂、 繊維
酸敗ミルク ミルク/発酵 繊維
硫酸 硫黄/接触法 肥料 (硫安)、染料、洗浄剤、中和剤
硝酸(揮発性) アンモニア/アンモニア酸化法(オストワルト法) 肥料 、火薬(硝酸カリウム)
塩酸(揮発性) 食塩/ 電解 食品、 鉄鋼、紙、織物染料
リン酸 リン鉱石/湿式法、乾式法 肥料 、食品

農業革命の前に食べていたものはドングリの実などでした。でもそのままでは渋くて食べられません。 灰汁(あく)抜きをしない。 じゃあ、灰汁ってなんですか? 植物の灰を水に溶かしたものです。 主成分は 炭酸カリウム 。 植物に含まれるシュウ酸などの有害なをアルカリで中和したんです。 ポット(鍋)でアッシュ(灰)を使って調理するからポタージュ。 今では 重曹 などが pH調整剤 として 食品 に使われるけどね。 ワラビの灰汁抜きのレシピをネットで検索してノートに書きなさい。 身近な酸と塩基についてそのpHと成分の化合物を化学式でノートに書きなさい。 pH調整剤について調べてノートに書きなさい。 濃度と電離度の関係をネットで検索してノートに書きなさい。 書き終わったら、近くの人から署名と日付をもらおう。

灰汁を検索してみよう。 大森貝塚 三内丸山遺跡
✏ 課外報告書 Web Class

設問ID=52
山菜の灰汁抜きの料理、あるいは山菜に限らず酢や重曹を使ってpHを制御している料理を作っておいしく食べてレシピや写真をHPやSNSに公表しよう。


洗うためのアルカリ-歴史をゆさぶった キャラコ

食べることができたら、着るもの。文明は衣服からはじまります。 繊維の洗浄のためのアルカリです。 キャラコを洗浄した灰汁が パワージェルボールに変わり、キャラコを中和した酸敗ミルクは 柔軟仕上げ剤へと変わった。

ウールやコットンは極性官能基がついているので、吸水してあたたかですが、水で洗うと縮んでしまう。 だからヘキサンで洗うドライクリーニングをする。 レーヨンやキュポラももとはセルロースなので水には弱い。 ポリエステルとキュポラを組みあわせたウォッシャブルなスーツがはやっている。 ウォッシャブルなスーツ、就活などでも活躍しそうだ。

✏ 平常演習 Web Class

シャンプー、リンス、洗濯洗剤、柔軟仕上げ剤、キッチンの食器洗い、住まいの洗剤、お風呂の洗剤・・・。 それらの洗剤から具体的商品をひとつ選んで、アニオン界面活性剤、カチオン界面活性剤、両性界面活性剤、非イオン界面活性剤、に分類し、 酸性かアルカリ性かpHを調査し、なぜそのような商品設計になっているのか論じなさい。

回答

野村正勝・鈴鹿輝男 最新工業化学 ―持続的社会に向けて― 第7章 有機ファインケミカルズ、界面活性剤 講談社サイエンティフィク

肥料と火薬のためのアルカリ-山を爆破し鉄道をひいたダイナマイト

アンモニア製造におけるハーバー・ボッシュ法、硫酸製造における接触法や、硝酸製造におけるアンモニア酸化法などではいくら触媒を工夫しても収量は変わらない。

植物 は二酸化炭素は気孔から、水は根毛から、そしてその他の元素はイオンのかたちで根毛から吸収する。 したがって窒素、リン、カリウムと言った肥料はイオンの形で水に溶解させねばならない。 18世紀 の産業革命による人口爆発で食糧危機に陥った都市の住民は、 天然肥料にたよっていた肥料を科学技術でなんとかしようと工夫した。 20世紀初頭に確立された空中窒素固定法における アンモニア 合成では、1000 気圧 の窒素と水素を触媒下 600 °C で接触反応させる。

このような高圧・高温での反応は、丈夫な反応釜はもちろん、バルブやパイプも高圧に耐えうる必要がある。 化学プラントのパイプや反応釜の接続は プラント記号で図面に表現される。

窒素と水素を原料にした アンモニア 合成は、ルシャトリエの原理を化学工業に応用した例です。 圧力を温度を変えたときのアンモニアの体積百分率をグラフをノートに描きなさい。

N2 + 3H2=2NH3 + 92.2kJ ( * )


肥料

  7 肥料の三要素と単肥の例
含有成分 元素 単肥の例 原料 特徴
窒素 硫安(硫酸アンモニウム)・尿素・硝安(硝酸アンモニウム)・塩安(塩化アンモニウム)・石灰窒素 アンモニア 葉肥 *
リン リン酸カルシウム・過リン酸石灰・ リン酸 果肥
カリウム 硫酸カリウム、塩化カリウム 鉱石 根肥

肥料には、肥料の三要素を一成分含む単肥と、二要素以上含む複合肥料に分けられます。また複合肥料は、配合肥料と化成肥料に分けられます。化成肥料は、肥料の三要素のうち、二要素以上を化学合成で作ったものです。

このように肥料は、工業製品であり、その要素は、材料でもあります。

  8 栽培研究センター(アグリベスト)@徳島県阿波市
© K.Tachibana
✏ 課外報告書 Web Class
肥料で花を咲かせて楽しもう
圧力と温度、触媒 JIS K10 酸とアルカリの材料 水 空気 酸とアルカリの物理量
インフラ

高圧容器と蒸気機関
肥料・火薬と空中窒素の固定
アルカリと山菜の灰汁ぬき

水資源

SDGs
06. 技術者倫理
  8 住宅の構成
区分 部品 働き
建物 躯体 木材、鉄骨、RC
屋根 ソーラーパネル、ガルバリウム鋼板、瓦、萱
樹脂サッシ、アルミサッシ
住宅設備 給湯器 、エアコン、 トイレ電池(ESS)、 パワコン(PCS)、 HEMS *
基礎 鉄筋コンクリート
外構 カーポート、緑地
ライフライン 水道電気電池 )、 ガス、 通信(ネット)
水道
  9 東京都水道歴史館@東京都文京区
© K.Tachibana

もし、せっぱつまって入った水洗 トイレが溢れていたら。 縄文から平安時代のトイレは、川に直接用便したので、川屋と言われた。

トイレの歴史

シャワートイレをスマートフォンで操作する
出典: LIXIL
高純水の製造と下水高度処理による窒素とリンの除去
浄水器
出典: カセッティ
ライフラインとインターネット 野村正勝・鈴鹿輝男 最新工業化学 ―持続的社会に向けて― 第6章 機能性高分子 講談社サイエンティフィク
<a href="https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/53202/53202.asp"> 無機工業化学 </a>:
<a href="https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/53202/53202_02.asp"> 1000気圧が生み出す肥料と食料―酸・アルカリ工業と水資源― </a>

参考文献

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無機工業化学


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