Chiết xuất bồ tạt từ tro gỗ — Nguyên tố kiềm ẩn trong mọi ngọn lửa

Kali (K, nguyên tố 19) nằm ở nhóm 1 (kim loại kiềm), chu kỳ 4 của bảng tuần hoàn. Nguyên tử khối của nó là 39,098 và cấu hình electron [Ar] 4s¹. Như mọi kim loại kiềm, kali có một electron hóa trị dễ dàng nhường đi, khiến nó cực kỳ hoạt động. Kim loại nguyên chất có màu trắng bạc, mềm đến mức cắt được bằng dao phết bơ (độ cứng Mohs 0,4), và có khối lượng riêng 0,862 g/cm³ — kim loại nhẹ thứ hai sau liti. Nó nóng chảy ở chỉ 63,5 °C (146 °F).

Kali phản ứng dữ dội với nước: 2K + 2H₂O → 2KOH + H₂↑. Khí hydro tự bốc cháy, cháy với ngọn lửa màu tím hoa cà đặc trưng. Vì phản ứng này mà kim loại kali phải được bảo quản dưới dầu khoáng hoặc khí trơ — nó không thể tồn tại ở dạng kim loại trong tự nhiên. Trong vỏ Trái Đất, kali chỉ có mặt dưới dạng ion K⁺ trong các khoáng vật như fenspat (KAlSi₃O₈), mica muscovit (KAl₂(AlSi₃O₁₀)(OH)₂) và sylvit (KCl). Cây hút K⁺ từ đất qua rễ; khi gỗ cháy, kali ở lại trong tro dưới dạng kali cacbonat (K₂CO₃).

Chọn gỗ cứng: sồi, dẻ gai (beech), du, phong hoặc tần bì. Gỗ cứng là loại gỗ truyền thống để làm bồ tạt ở châu Âu và châu Mỹ thời thuộc địa; gỗ mềm như thông, vân sam và linh sam để lại ít tro hơn. Lượng kiềm trong tro thay đổi rất nhiều theo loài cây, tỉ lệ vỏ và cành nhỏ, và đất nơi cây mọc, vì vậy hãy thận trọng với bất kỳ con số đơn lẻ nào và đánh giá tro của chính bạn bằng các phép thử ở bước 11 và 12.

Gỗ phải được phơi khô kỹ (hong khô ngoài trời ít nhất 6 tháng). Gỗ tươi tốn năng lượng để bốc hơi nước và cháy không hết, để lại tro xám lẫn than thay vì loại tro sáng màu cần cho việc ngâm chiết hiệu quả.

Nhóm lửa trong một hố lửa có che chắn — mưa sẽ cuốn trôi kali hòa tan trước khi bạn kịp thu gom. Đốt gỗ cứng trong ngọn lửa nóng, thông gió tốt. Thêm củi từ từ, để mỗi mẻ cháy hết rồi mới thêm. Lửa nóng có luồng khí tốt cho tro trắng hoặc xám nhạt; lửa âm ỉ cho tro sẫm đầy cacbon chưa cháy, kém hữu ích hơn.

Tiếp tục đốt cho đến khi gom được một lượng tro đáng kể — ít nhất 20-30 lít để có sản lượng đáng kể. Để lửa cháy hết thành tro; bỏ các cục than lớn chưa cháy hết. Gỗ chỉ để lại một phần nhỏ khối lượng của nó dưới dạng tro, nên lượng tro này đòi hỏi rất nhiều củi — nhiều hơn hẳn một đống lửa buổi tối; nhiều maker gom tro từ bếp lò hoặc hố lửa suốt cả một mùa.

Để tro nguội ít nhất 24 giờ, và khuấy để kiểm tra than hồng trước khi di chuyển: tro có thể giấu than hồng còn cháy suốt nhiều ngày. Tro nóng có thể gây bỏng nặng, làm chảy nhựa và gây cháy. Khi sờ thấy nguội, dùng xẻng hoặc muỗng xúc kim loại xúc tro vào một xô kim loại khô. Giữ tro khô ráo — nếu mưa làm ướt đống tro trước khi thu gom, phần lớn K₂CO₃ hòa tan sẽ thấm xuống đất và mất đi.

Cho tro đã nguội qua một cái rây thô (mắt 5-10 mm) để tách tro mịn khỏi cục than, đinh, đá và mẩu gỗ chưa cháy. Lớp bột mịn màu trắng hoặc xám nhạt lọt qua là nguyên liệu giàu bồ tạt của bạn. Các mẩu than giữ lại trên rây có thể để dành cho việc khác (nhiên liệu, lọc nước, cải tạo đất) nhưng chứa rất ít kali có thể chiết.

Dùng một thùng gỗ hoặc một xô lớn có khoan lỗ gần đáy. Đặt một lớp dày (5-8 cm) rơm hoặc cỏ khô dưới đáy thùng — lớp này làm bộ lọc để tro mịn không làm tắc lỗ thoát và không lọt vào nước tro. Rơm phải sạch và khô. Đặt thùng lên một bệ nâng cao (đá, gạch hoặc giá gỗ) để có chỗ đặt xô hứng dưới lỗ thoát.

Thùng gỗ là loại truyền thống; nước tro ăn mòn nhôm, kẽm và thiếc, còn sắt và thép không gỉ chịu được nó. Nếu dùng xô nhựa, hãy chắc chắn đó là HDPE (mã tái chế 2), loại chịu được dung dịch kiềm.

Đổ tro trắng đã rây vào thùng, nén từng lớp. Nén nhẹ mỗi lớp — quá xốp thì nước chảy theo rãnh mà không hòa tan được nhiều K₂CO₃; quá chặt thì nước hoàn toàn không thấm xuống. Đổ đầy đến cách miệng thùng 10 cm, chừa chỗ cho nước bạn sẽ rót lên trên. Một thùng chứa 25-30 lít tro khô là lượng làm việc tốt.

Rót nước mềm từ từ lên lớp tro đã nén. Nước mưa là lý tưởng: nó hầu như không chứa canxi hay magie hòa tan, vốn sẽ phản ứng với cacbonat và lắng thành cặn. Nước thấm dần xuống qua tro, hòa tan kali cacbonat (K₂CO₃) tan được cùng lượng nhỏ hơn kali sunfat (K₂SO₄) và kali clorua (KCl). Quá trình này gọi là ngâm chiết (lixiviation).

Rót từng ít một và để nước ngấm. Nếu rót quá nhanh, nước chảy theo các rãnh mà không tiếp xúc đủ với tro. Chất lỏng nhỏ giọt ở dưới là nước tro (dung dịch bồ tạt), có màu nâu do các hợp chất hữu cơ hòa tan.

Chất lỏng màu nâu chảy ra từ thùng là nước tro thô của bạn — dung dịch kiềm của kali cacbonat trong nước. Hứng nó vào một xô sạch (gỗ, nhựa HDPE hoặc sắt — tuyệt đối không dùng nhôm, kẽm hay thiếc, vì nước tro ăn mòn chúng). Những dòng đầu tiên mạnh nhất; các lần rót sau cho nước tro ngày càng yếu hơn khi tro cạn dần kali hòa tan.

AN TOÀN: Đeo kính bảo hộ và găng tay khi xử lý nước tro. Nước tro bồ tạt có tính kiềm mạnh (thường pH 11-13) và gây bỏng hóa chất cho da và mắt. Nếu bắn vào da hoặc mắt, hãy rửa ngay bằng thật nhiều nước sạch đang chảy ít nhất 15 phút, và đi khám nếu dính vào mắt. Đừng nhỏ giấm hay axit khác vào mắt; để sẵn một xô nước sạch trong tầm tay.

Rót nước tro đã hứng trở lại qua cùng thùng tro lần thứ hai và thứ ba. Mỗi lượt hòa tan thêm K₂CO₃, làm tăng nồng độ. Ngoài ra, bạn có thể rót nước tro từ thùng thứ nhất qua thùng thứ hai chứa tro mới. Những người làm bồ tạt ngày xưa thường vận hành dãy thùng nối tiếp, cho nước tro chảy qua tro ngày càng mới để làm đặc trước khi cô — nhờ vậy tiết kiệm nhiên liệu vì bước đun bắt đầu với nước tro đã đặc sẵn.

Nhúng đầu một chiếc lông vũ vào nước tro. Đây là phép thử truyền thống của thợ nấu xà phòng: nước tro đủ mạnh để làm xà phòng sẽ ăn mòn rõ rệt các sợi lông, vì keratin bị phân hủy trong kiềm mạnh. Đây là phép thử thô và định tính — nó cho biết nước tro có mạnh hay không, chứ không cho biết mạnh đến đâu. Nếu lông không thay đổi, nước tro quá yếu và cần chạy thêm một lượt qua tro mới hoặc cô bớt trước bước đun.

Nhẹ nhàng thả một quả trứng tươi, sạch vào nước tro. Đây cũng là một phép thử truyền thống: khi nước tro đủ đặc, quả trứng nổi lên với một mảng vỏ cỡ đồng xu nhô trên mặt. Nếu trứng chìm, nước tro cần được cô đặc thêm — cho chạy qua thêm tro hoặc bắt đầu cô sơ bộ để giảm thể tích. Khối lượng riêng của trứng thay đổi khi trứng để lâu, nên hãy dùng trứng tươi và coi kết quả là để tham khảo.

Chuyển nước tro đặc sang một nồi hoặc vạc gang lớn. Sắt chịu được nước tro bồ tạt, còn nhôm tan nhanh trong đó và kẽm, thiếc bị ăn mòn, vì vậy hãy dùng sắt. Những vạc sắt lớn để nấu bồ tạt là vật dụng tiêu chuẩn của nghề buôn bồ tạt thế kỷ 18 và 19. Chính cái nồi đã cho ta từ này: "pot-ash" là phần cặn giống tro còn lại trong nồi sau lần cô này.

Đặt nồi sắt lên ngọn lửa đều và đun nước tro sôi mạnh. Giữ nhiệt ổn định — quá mạnh thì nước tro bắn tung tóe nguy hiểm; quá yếu thì cô mất quá lâu. Khi nước bay hơi, nước tro sẫm lại và đặc dần. Thêm nước tro từ phần dự trữ khi thể tích giảm, giữ nồi đầy chừng một nửa. Với một mẻ lớn, việc này mất nhiều giờ đun liên tục.

AN TOÀN: Nước tro đang sôi bắn tung tóe, và những giọt bắn cùng hơi sương của nó có tính ăn da. Làm việc ngoài trời hoặc nơi rất thông thoáng. Đeo kính bảo hộ và găng tay dày. Không bao giờ bỏ mặc nồi nước tro đang sôi.

Khi nước bay hơi, chất lỏng đặc lại thành một thứ bột nhão màu nâu sẫm như xi-rô. Giảm lửa để khỏi bị cháy. Thỉnh thoảng khuấy bằng một thanh sắt dài hoặc mái chèo gỗ (mái chèo sẽ cháy sém dần nhưng vẫn dùng được một lúc). Khi bột nhão đặc đến mức kéo thìa qua để lại một vệt từ từ khép lại, việc cô gần như xong. Ở giai đoạn này, bột nhão là "muối đen" thô — hỗn hợp K₂CO₃ với cặn hữu cơ, kali sunfat và các khoáng chất khác của tro.

Chuyển bột nhão đặc sang một vật đựng bằng sắt nông lòng hoặc trải lên một mặt sắt phẳng. Nung trên lửa mạnh đến khi nó đỏ âm ỉ (khoảng 600-700 °C). Các hợp chất hữu cơ làm muối thô có màu sẫm cháy thành khí cacbonic và hơi nước, để lại bồ tạt thô màu trắng xám. Ngày xưa, muối đen nấu chảy trong vạc được bán dưới dạng bồ tạt, còn muối đen nung trong lò để đốt hết chất hữu cơ thì ra trắng hơn và được bán dưới tên pearl ash. Thỉnh thoảng khuấy để nhiệt được đều. Giữ dưới mức đỏ rực: kali cacbonat nóng chảy ở khoảng 890 °C, và muối sẽ chảy dính thành một khối cứng khó xử lý.

Nhấc vật đựng khỏi lửa và để bồ tạt nguội hoàn toàn — vài giờ trong không khí lặng. Kết quả là bồ tạt thô: bột trắng xám của kali cacbonat (K₂CO₃) lẫn tạp chất như kali sunfat (K₂SO₄), kali clorua (KCl), silica và khoáng vi lượng. Bồ tạt thô này có thể dùng làm phân bón, làm chất trợ chảy cho thủy tinh và để nấu xà phòng mà không cần tinh chế thêm. Cất trong hộp kín, khô — K₂CO₃ hút ẩm và sẽ hút hơi nước trong không khí đến mức thành một khối ướt, dính.

Để có kali cacbonat trắng và tinh khiết hơn, hòa tan bồ tạt thô trong nước nóng, rồi lọc qua vải mịn để loại tạp chất không tan (silica, canxi cacbonat, oxit sắt). Dịch lọc vẫn còn các muối tan khác, chủ yếu là kali sunfat và kali clorua, nên nó tinh khiết hơn nhưng không phải K₂CO₃ nguyên chất. Cô dung dịch từ từ trong nồi sắt đến khi khô. Bột trắng thu được gần với pearl ash trong thương mại thế kỷ 18: kali cacbonat đã tinh chế dùng trong thủy tinh cao cấp, làm chất tạo nở khi nướng bánh (trước khi có baking soda) và trong hóa học. Pearl ash bán đắt hơn bồ tạt thô.

Bồ tạt gắn với gần như mọi nhánh kỹ thuật thời xưa. Xà phòng: nước tro bồ tạt nấu với mỡ cho xà phòng mềm; thợ nấu xà phòng thường thêm vôi tôi vào nước tro để biến một phần cacbonat thành kali hydroxit ăn da mạnh hơn. Xà phòng cứng thì được làm bằng xô-đa từ tro thực vật. Thủy tinh: bồ tạt đóng vai trò chất trợ chảy, cho phép nấu chảy thủy tinh ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với điểm nóng chảy của silica nguyên chất (khoảng 1700 °C). "Thủy tinh rừng" (Waldglas) ở Bắc Âu dùng bồ tạt tro gỗ; thủy tinh Địa Trung Hải dùng xô-đa (Na₂CO₃), lấy từ natron thời cổ đại và về sau từ tro của các loài cây ven biển chịu mặn. Thuốc súng: diêm tiêu (KNO₃) được lấy từ các luống tạo nitrat, nơi chất hữu cơ phân hủy và vi khuẩn trong đất tạo ra nitrat, chủ yếu là canxi nitrat. Nước chứa nitrat ngâm chiết từ các luống đó sau đó được cho chảy qua tro gỗ hoặc trộn với bồ tạt, chất này biến canxi nitrat thành kali nitrat và làm canxi kết tủa dưới dạng cacbonat. Nông nghiệp: kali là một trong ba chất dinh dưỡng đa lượng của hệ phân bón N-P-K. Mỗi ngọn lửa trên cánh đồng của người nông dân đều trả kali lại cho đất từ rất lâu trước khi có ai hiểu vì sao.

Từ cái tên Ả Rập al-qalī đến niềm vui của Humphry Davy năm 1807, câu chuyện về kali chạy xuyên suốt lịch sử hóa học — một chất hữu ích được biết đến hàng thiên niên kỷ, nhưng chỉ mới được tách thành kim loại cách đây hơn hai thế kỷ.