如何从苦咸的海水中提取甘露?

海水中含有氯化钠等无机盐,使海水变咸变苦。渴了再喝,不但不会解渴,反而会口干舌燥。盐会与金属发生反应并腐蚀它们。钢铁特别怕海水。如果把完好的钢材放在海水里,时间一长就会被腐蚀得面目全非。在大气中,铝的表面会形成一层坚硬的氧化层,可以保护内部,而在海水中,铝的氧化层也失去了保护力。只有铁、不锈钢和铜合金能真正承受海水浸泡,它们也有一定的耐海水腐蚀能力。海水加热后,一些盐会结晶并附着在容器表面。海水中的附着生物,如藻类、软体动物、甲壳动物和腔肠动物,也生长在通过海水的管道和设备的壁上。这些附件大大降低了这些设备的传热能力,甚至会堵塞它们。

海水淡化设备

从苦咸水中提取淡水的技术称为海水淡化,又称海水淡化。

在古希腊和古罗马,有人试图淡化海水。亚里士多德在一个封闭的容器中煮沸海水,发现水蒸气中没有盐。浓缩后得到蒸馏水,是纯净的淡水。19世纪,英国批准了蒸馏法制造淡水的专利,在阿拉伯的亚丁湾沿海陆地上建造了海水蒸馏器,为过往的船员制造淡水。到2006年,世界上已有120多个国家和地区应用了海水淡化技术,全球海水淡化日产量约为3775万吨。

目前,世界上的海水淡化装置主要分布在沿海干旱地区、淡水供应困难的海岛和沿海缺水的大型工业城市。最集中的地区是以色列和沙特阿拉伯、科威特和阿联酋,这些国家没有河流,地下水极其短缺。过去淡水是用船从国外运来的。好在这些国家石油丰富,有条件以石油为燃料蒸馏海水,解决淡水供应问题。

主要的海水淡化技术有蒸馏、反渗透和电渗析。

蒸馏实际上还是利用亚里士多德阐述的原理,将海水加热使其汽化,然后将蒸汽冷凝得到淡水,剩下的浓盐水用于其他用途。蒸馏使水和盐分离。再浓的海水都可以蒸馏出纯净的淡水,一次成功,所以适合直接淡化海水。现在这项技术可以用来建造大型海水淡化厂,这是最重要的海水淡化方法。

蒸馏的方法也有很多种,多级闪蒸是最常用的方法。首先,海水在管道中被加热,然后海水被引入一个压力低于大气压的装置中。当压力降低时,水的沸点也降低,没有达到100℃就会汽化。海水在这个低压容器中迅速蒸发,蒸汽迅速离开热海水,固体盐类留在剩余的液体中,不在换热表面。产生的蒸汽在换热管外冷凝成淡水,海水通过吸收管内冷凝时释放的热量被预热。这样,海水依次通过多个闪蒸室,在每个室的冷凝管上产生淡水。重复闪蒸过程可以最有效地利用热量,降低成本,是一种切实可行的技术。

闪蒸室可以由便宜的低碳钢制成,并且由合金如不锈钢保护以防止腐蚀。冷凝器是最关键的部件,它的温度最高,最容易被腐蚀。它必须由防腐蚀材料制成,如钛或铜镍合金。防止结垢的化学物质也必须添加到海水中,以便剩余的盐不会附着在设备壁上。最好垂直堆叠各级闪蒸室。

海水淡化设备

多效蒸发是另一种蒸馏方式,使导热面两侧都有蒸汽和水,蒸汽在上面冷却,水在下面加热,一举两得。但使用这种方法时,结垢问题比多级闪蒸法更严重,必须想办法解决。

低温多效蒸发法可利用37 ~ 65℃的温度进行海水淡化,所需热量较少,可由电厂余热供应。可以使用太阳能作为能源,或者直接加热海水,或者将热量储存在太阳能池中再利用,这样就不需要燃烧化石燃料。直接使用时,将池壁涂成黑色,这样可以最大限度地吸收太阳能,将水汽化,然后在池壁上方的玻璃壁上冷凝,并加入多效原理,提高热量的利用率。存储方式是利用太阳能加热集热管中的水,将热水储存在太阳能池中。热水是一种很好的热源。太阳能海水淡化装置的投资比较高,限制了它的使用。

反渗透装置

反渗透海水淡化是利用压力驱动海水通过反渗透膜。膜的微孔很小,水的分子比较小,所以可以顺利通过,而分子较大的盐则留在膜后。这种海水淡化技术最近发展很快,超滤技术就是在此基础上发展起来的。反渗透的关键在膜上。该膜不仅应该是可渗透水和保留盐的,而且应该能够承受高压水流而不被损坏。这种薄膜是由高分子材料制成的。醋酸纤维素膜材料丰富,价格便宜,但不耐用,淡化效果不理想,不适合直接淡化海水。聚酰胺膜的机械强度较高,脱盐效果较好;聚砜聚合物膜是一种复合反渗透膜,含有有效层和支撑层,性能较好。这些高分子材料可以纺成纤维,织成薄膜。折叠成平板的薄膜不能承受压力;卷成筒状,螺旋管最结实,能承受压力;中空纤维的效果最好。海水在通过膜之前,要加入预处理、杀菌、去污和化学药剂,调节pH值,否则海水很快就会堵塞反渗透膜,使其无法工作。反渗透海水淡化的效果与海水的盐度有关。有时候一级反渗透淡化不足以产出合格的淡水,需要二级淡化。反渗透法不需要热源,只需要电力驱动高速旋转的高压泵给海水加压。目前,新材料层出不穷。有了更理想的膜材料,这种淡化方法的效率会更高,成本也会降低。

电渗析也是一种用膜分离水和盐的技术,但这种膜在电场的作用下具有脱盐的能力。将阴离子交换膜和隔板插入电渗析槽中,注入海水,加上DC电场,海水中的电解质将被电解,里面的阴离子和阳离子分别通过交换膜逸出,水中不留盐。用隔板隔开,一个电渗析池可以安装多组膜。膜的材料也是高分子材料——聚苯乙烯磺酸和聚苯乙烯季胺。电渗析的耗电量与海水的浓度成正比,所以在低浓度的地下苦咸水淡化中最好采用这种方法。如果用来淡化海水,一级淡化效果不好,需要多级淡化,成本高。1981年,我国在西沙群岛永兴岛建成日产淡水200吨的电渗析海水淡化站,一直工作到现在。

水有一个很特殊的性质,汽化时不会带出溶质,冻结时也不会带出溶质。利用这一特性,与蒸馏相反,海水可以通过冷冻而不是蒸发来淡化。冰融化成水所需的热量仅为水蒸发成蒸汽所需热量的13%,可以节省大量能源。另外,低温下盐对容器的腐蚀没有高温下严重,所以将来可能会发展冷冻法。如果我们模仿多效蒸馏的方法,把冷冻和蒸发结合起来,我们就能更有效地利用热量。

现在海水淡化真正的问题是成本高。最初的海水淡化是烧1吨油换1吨水,那还不如运淡水,除非万不得已,谁也买不起淡化水。自从有了上面提到的新技术,情况已经好多了。截至2006年底,我国日海水淡化能力接近654.38+0.5万吨,海水淡化成本逐渐下降,逼近5元/m3。要使海水淡化更加实用,就必须不断开发新技术,开发更高效、更耐用的膜,在技术上巧妙运用多级多效的方法,更有效地利用能源,利用太阳能、风能、地热能、海洋能等可再生能源作为动力。

冰山

大陆架上有许多古老的河流,海平面上升时被海水淹没。这些古老河流下面的沙层中有大量的淡水。有些地方虽然没有古河道,但海底地层中有地下水,也是重要的淡水来源。可以利用卫星遥感查明海底淡水储存在哪里,然后利用浅层地层剖面仪对海底地层进行勘探,详细调查淡水在沉积物中的分布情况。可以直接用潜水泵在露头处抽淡水,在没有露头的地层中找到含水构造,再打井抽淡水。这种水源可能比海水淡化更经济。美国海底淡水的开发解决了夏威夷的城市用水,希腊在爱琴海成功开发出日产淡水1万立方米以上的海底泉,灌溉了沿岸3万公顷的旱地。我国长江口古河道蕴藏着丰富的海底淡水。现在,已经对资源进行了彻底的调查,并开始在长江口外的嵊泗群岛进行开发。未来对这一淡水资源的综合开发将解决舟山群岛的淡水供应问题。

地球上的大部分淡水都冻结在南极、格陵兰等北极岛屿的冰盖中,冰盖边缘不断断裂成冰山,向外漂流。全球冰盖的淡水量相当于地表水和地下水总量的3.35倍。冰山可以用拖船拖到缺水的沿海港口融化成淡水使用吗?有人做过这种实验,把南极洲附近的冰山拖到南美洲。人们发现利用冰山上的淡水有许多困难。不规则的冰山被拖曳时阻力很大。拖到目的地后,很难融化,也不容易收集融化的水。当它们融化时,会吸收大量的热量,从而改变气候,破坏当地的生态环境。

尽管有这么多的方法和想法向海洋索取淡水,我们仍然没有找到一个完美、有效和经济的方法。这个问题只能以后解决了。