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第33章 海水化学资源开发(1)

广阔的海洋,贮存了人类需要的各种资源,这些资源的开发利用已经成为全世界经济新的生长点,随着海洋资源的开发,人类会得到巨大的利益。

海水是海洋的主体,海水中溶有近百种化学物质,其中许多是陆地上稀有或稀少的,从海水中提取这些物质造福于人类,是人类社会发展的需要。海水化学资源的利用,包括从海水中获取淡水、海盐、某些工业原料的提取、稀有物质的富集提取等。

海水淡化

从20世纪下半叶以来,各类用水量的增加超过了供应能力,致使许多地区出现了用水危机。一些国际会议不断发出警告:“水资源正在取代石油而成为全世界引起危机的主要问题”;“在干旱或半干旱地区因国际河流和其他水资源地的使用权,可能成为两国间战争的导火线”;“淡水紧张和使用不当,对可持续发展和环境保护构成了严重而又不断增长的威胁”;“由于世界上许多地区淡水资源普遍稀缺,而且逐渐被破坏,污染日益严重,加之不相容的人类活动泛滥,因而必须对水资源实行统筹规划和管理”等。尽管如此,全世界用水量随着人类社会的发展仍然保持上升趋势。用水量不断增加的原因之一是随人口增长相应地对工农业产品需求增加,生活用水和工农业用水随之增长;其次是人们生活水平不断提高,这在发展中国家问题就更为突出。除人口压力外,用水量不断增加,但资金不足,供水能力跟不上,保护环境的投资就更加困难。因此,水的供需形势趋于紧张,更易导致水环境恶化。

从人类社会的发展过程看,在一定阶段用水的增加是必然的,供水能力的增加要适应用水增加的需要,但供水能力的增加除受财力和物力的制约外,还必须注意自然条件的限制。如使自然条件受到损害而影响到天然的供水能力,则后果十分严重。怎么办?一个共同的结论就是寻找一条水资源可持续开发的途径。

那么,如何实现水资源的可持续利用,这就是一个很具体而又很困难的问题。对此,人们提出了“节流开源”。它包括两层意思,一个意思是由于淡水资源是有限的,必须节约使用它,能不用淡水的就不用淡水,能少用的要尽量少用;另一层意思还要从多种途径获得淡水资源,对此人们提出了例如雨水的高效利用、污水处理再回用、从海水和苦咸水获取淡水等。

海洋是一个巨大的水源库,海水取之不尽,用之不竭,海水淡化是解决水源不足的重要途径,因而淡化水的价值,也就不能单纯以它的价格来衡量。海水淡化不仅是某一国家、某一地区、某一时间的局部问题,而是世界范围内涉及人类生存的社会发展的长远而重大的问题。海水淡化的意义,具体说来,有以下几点:①可以根据所需地点、所需时间、所需水量及水质进行生产,为淡水需要量的不断增长提供了保证;②提供某些特殊用水,如船舶与海岛用水,以及特定技术要求用水等;③为开垦荒漠、发展缺水地区的工农业生产提供了条件;④利用淡化方法除去水中某些危害人体健康的成分(如氟等),提供卫生饮水;⑤淡化技术的发展,也丰富和发展了其他生产过程中的分离技术,如海水浓缩制盐,海水综合利用,工业废水及有害废水处理,酸、碱的回收,以及医药、食品的精制、纯化等等,淡化技术在有些生产部门,正获得日益广泛的应用;⑥淡水生产还可以和工业废热、剩余电力利用相结合,使能量达到合理有效的利用。

据报道,至1993年,世界每天用反渗透法淡化海水1.2×106立方米。目前,世界上规模最大的反渗透法海水淡化工厂建在沙特阿拉伯,该淡化厂每天产水2×105立方米。随着反渗透膜性能的提高和海水淡化工艺的进步,从海水获取1吨淡水能耗由原来的10~15千瓦时/吨下降到5.9千瓦时/吨,反渗透法已成为海水淡化的一种经济型造水技术。

反渗透法:当海水与淡水以半膜隔开时,淡水便会自动地向海水一侧渗透,若于海水一侧施加大于海水渗透压(约25大气压,合2.5兆帕)的外压,则海水中的纯水将反渗透至淡水中,此为反渗透法淡化原理。反渗透法的特点是淡化过程中没有水相的变化,所以能量消耗较少,而对有机杂质与不带电荷的杂质,同样能达到分离效果。但受高压操作和半透膜的性能限制,使单个淡化器产量不能太大和原水浓度不宜过高。

海水淡化能够缓解沿海地区淡水资源紧缺的矛盾。但海水淡化投资大、成本高,始终制约着这一技术大规模推广应用。从一般意义上讲,目前在国内建设一个日产万吨淡水的海水淡化工厂,投资人民币在1.7亿元左右,产水成本每吨7元,一般情况下难以接受。因而世界上也只有中东地区的国家(如沙特、科威特、阿联酋),既无水可供,又有丰富的石油资源,海水淡化才得以大规模推广应用。

近年来,随着生活水平的提高,对饮用水水质要求也越来越高,现已普遍倾向于饮用纯净水。我国建设部正在若干城市试点,建立双管路供水系统,将自来水经专门处理,如反渗透、超滤、微滤等达到“纯净”要求,再由专门的供水管路送至用户。显然,对于本来就严重缺少淡水的北方沿海城市,如利用蒸馏海水淡化,直接可将海水脱盐达到总含盐量5×10-6的淡水纯度,以供居民作“纯净”水饮用,不失为一举两得的选择。

国际上现在为进一步降低海水淡化成本而努力。以色列和美国的技术人员拟在南加利福尼亚建设一大型多效蒸馏海水淡化试验装置,其规模为每日产水28.4万吨,目标成本为0.49美元/吨。显然,如能实现此目标,将使海水淡化成本降低一半以上。一方面淡水资源日益紧缺;另一方面,随着技术进步,海水淡化产水成本不断降低,这就决定了海水淡化在不远的将来会有大规模的发展。

核材料——铀

众所周知,原子弹和氢弹都是很厉害的武器,它们的杀伤力和破坏力都是相当大的,它里面装的是什么“炸药”呢?是铀。

核潜艇有的重达18700吨,推进功率达1.1万~2.2万千瓦,可以连续在水下绕地球航行两三个月,续航力22.2万~37.1万千米,它既不烧煤也不用油,用什么作动力呢?也是铀。功率巨大的核电站,用什么作燃料呢?还是铀。铀裂变时释放出巨大的能量,1千克铀所含的能量约等于25000吨优质煤燃烧时所释放的能量。因此,铀是极为重要的核材料。随着和平利用原子能工业的飞速发展,对铀的需要量与日俱增。

然而,陆地上铀的贮量是有限的,目前有开采价值的总共不过100万吨左右。虽然,海水里铀的浓度不高,每立方分米海水只有3.3微克,但因海水量大,所以总量还是相当可观的,达4.5×109吨,相当于陆地上总贮量的4500倍。所以世界上许多国家,特别是缺乏铀的国家,如日本、英国和德国等,都想方设法从海水中提取铀。

国内外从事海水提铀的科技人员为了从海水中提取铀,做了大量的研究工作,先后曾采用过溶剂萃取法、吸附法、离子浮选和起泡分离法以及生物富集法等等。其中,萃取法是早期曾探索过的一种方法,它是以磷酸二丁酯做萃取剂,以煤油做稀释剂,在旋转的圆形萃取柱中与酸化的海水接触进行提铀的。萃取是定量的,从20立方分米海水中获得60微克铀。这个方法虽然技术上可能,但在大规模的实践中,溶剂的损失很大,试剂的费用高,使这种方法在经济上失去了吸引力。目前还在进行研究的或有希望的提取方法有以下几种:

①起泡分离法

将气泡送入溶液中,溶液中的物质被气泡吸附,这种分离方法叫起泡分离法,这是近年来发展起来的一种方法。它的原理就是构成气泡的物质能与海水点的铀发生化学作用,这样海水中的铀就富集在气泡上,而气泡容易与海水分开,于是铀就提取出来了,有人采用磷酸酯做起泡剂,收到了较好的效果,据说铀的提取率达80%~90%。

这种方法的弱点是需要外加辅集剂和用动力鼓泡,这在工程上难以做到。这种方法目前始终限于实验室范围内。

②生物富集法

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