海水海冰淡化

從海魚的“排鹽裝置”說起

海水是咸的，那為什么生活在海洋中的魚沒有被“渴”死呢?

我們都知道這樣一種物理現(xiàn)象：如果把容器用一個半滲透性薄膜隔開，左邊盛著含鹽量高的水，右邊盛著含鹽量低的水，那么，右邊的水就會向左邊滲透，直到兩邊含鹽量相等為止。魚的皮膚表層、口腔黏膜、鰓以至所有器官和組織的單個細(xì)胞的膜都是這種半滲透薄膜，而海魚體中的鹽量通常比海水中的低，因此，海魚體內(nèi)的水分會自動向體外滲出，使體內(nèi)含鹽量增高。為了補(bǔ)償滲出的水并且保持體內(nèi)一定的含鹽水平，它必須多補(bǔ)充水，而且，要把它喝進(jìn)去的咸水變成淡水，因此，一種高效安全的“排鹽裝置”對海魚來說是非常必要的。海魚的這一“裝置”不是腎臟，因?yàn)槟I臟只能排除低度鹽水，而且在排除鹽分的同時，還要排除大量的水，這是不適宜的。它利用的是鰓里的一種特殊的細(xì)胞組織，科學(xué)家們稱之為“氯化物分泌細(xì)胞”。它像過濾器一樣，能把魚體內(nèi)過多的鹽分迅速排出體外，好像是座淡水車間，效率相當(dāng)高，即使世界上最先進(jìn)的“海水淡化器”也望塵莫及。因此，盡管體內(nèi)淡水不斷通過皮膚往外滲，它還可以不斷喝進(jìn)大量海水來“解渴”。

魚用自己的方法從海水中提取淡水滿足自身需要，人類對淡水的需要更是超出我們的想象。面對浩瀚的海洋，我們?nèi)绾伟阉兂晌覀兊牡Y源呢?下面介紹一下海水淡化、海冰淡化的當(dāng)前狀況。

趨于成熟的海水淡化

海水淡化方法目前主要有以下幾種：

蒸餾法 最早采用的海水淡化技術(shù)，是海水淡化最主要的方法。蒸餾法海水淡化是將海水加熱蒸發(fā)，再使蒸汽冷凝得到淡水的過程。蒸餾法具有其他淡化方法不可比擬的特點(diǎn)：設(shè)備簡單可靠；受原水濃度限制較小，即當(dāng)料液濃度變化時，蒸發(fā)過程的條件改變不大，能耗變化較小，故蒸餾法更加適合于海水及高濃度苦咸水淡化；海水蒸發(fā)所得的水就是蒸餾水，水質(zhì)較高；直接利用熱能，較為經(jīng)濟(jì)。

蒸餾法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單易于實(shí)現(xiàn)，并不受水中含鹽量的限制，適用于余廢熱可利用的項(xiàng)目，設(shè)備容量大，所產(chǎn)淡水水質(zhì)純度較高，產(chǎn)品水含鹽量為2～10毫克／升，裝置進(jìn)水可不經(jīng)預(yù)處理直接由海水提供。故該裝置多用于沿海的火力發(fā)電廠、核電站。其缺點(diǎn)是能耗多、設(shè)備費(fèi)用高，存在設(shè)備、管路結(jié)垢與腐蝕問題。

反滲透法(超過濾法)一種膜分離技術(shù)，利用選擇性半透膜裝置，當(dāng)連通器鹽水側(cè)對液體壓力P大于滲透壓H時，鹽水中的水分子將通過半透膜而溶質(zhì)仍被半透膜隔離于鹽水側(cè)，致使鹽水濃度加大，這個過程與自然界正常滲透過程相反，稱為反滲透。為使反滲透裝置正常運(yùn)行，鹽水側(cè)壓力必須高于滲透壓H，一般在4～7兆帕范圍內(nèi)。

反滲透裝置投資省、能耗低、建設(shè)周期短易于自動控制，適用于海水、苦咸水大中型規(guī)模的淡化工程，裝置體積小，設(shè)備及操作簡單，且在常溫下操作，設(shè)備的腐蝕和結(jié)垢程度較輕。存在的問題是膜的壽命和抗污染性能。與其他海水淡化法相比，反滲透法淡化海水的最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能。此外，所用的膜是衛(wèi)生的高分子材料，能完全截留細(xì)菌、病毒、重金屬離子等有害物質(zhì)，有利于人體健康。所以用反滲透法淡化海水，配以其他技術(shù)，可保留海水中存在的對人體有益的多種微量礦物質(zhì)，是可以直接生飲的安全飲用水。

真空冷凍法 真空冷凍一汽相冷凝海水淡化新技術(shù)是依據(jù)海水的三相點(diǎn)理論，使海水同時蒸發(fā)與結(jié)冰的一種低能耗、輕腐蝕結(jié)垢的海水淡化方法。海水三相點(diǎn)是使海水汽、液、固三相共存并達(dá)到平衡的一個特殊點(diǎn)。若壓力或溫度偏離該三相點(diǎn)，平衡被破壞，三相會自動趨于一相或兩相。

真空冷凍法海水淡化正是利用海水的三相點(diǎn)原理，以水自身為制冷劑，使海水同時蒸發(fā)與結(jié)冰，冰晶再經(jīng)分離、洗滌而得到淡化水的一種低成本的淡化方法，與蒸餾法、膜法相比，能耗低，腐蝕、結(jié)垢輕，預(yù)處理簡單，設(shè)備投資小，并可處理高含鹽量的海水，是一種較理想的海水淡化方法。國外早在20世紀(jì)60年代就已開始研究，但目前為止尚沒有商業(yè)化，主要原因在于過程中產(chǎn)生的三相點(diǎn)蒸汽難以去除和冰晶的輸送、洗滌較難。

以上介紹了現(xiàn)在社會常用的海水大規(guī)模制取淡水的方法。在日常生活中，有需要就有創(chuàng)造力。

最近西方發(fā)達(dá)國家設(shè)計出一種救生用小型風(fēng)力海水淡化器，該海水淡化器由一個風(fēng)力發(fā)動機(jī)和一些水平的同軸分配器組成，分配器與浸泡、吸附鹽水的似燈芯材料接觸。風(fēng)能在液體的熱介質(zhì)中直接轉(zhuǎn)換成摩擦熱能，在直接連接到風(fēng)力發(fā)動機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸與第一個分配器之間形成一個鹽水薄層；摩擦熱能在所有分配器上循環(huán)傳遞，不斷增加著蒸餾水的產(chǎn)量。此蒸發(fā)器由風(fēng)力驅(qū)動。當(dāng)不用時，葉片可折疊存放。裝置外部直徑0．15米，長度0．35米。預(yù)計產(chǎn)水性能：當(dāng)風(fēng)速為6米／秒時，產(chǎn)淡水1．5千克／天以上，足夠1人每天的用量。以后人們出海作業(yè)再也不用擔(dān)心淡水問題了。

看來，伴隨著科技的日新月異，必將涌現(xiàn)更多性能好、高節(jié)能的海水淡化方法。

前途光明的海冰淡化

海冰淡化，顧名思義，就是從海冰中提取淡水。從冷凍原理我們知道，海水結(jié)冰形成海冰，在結(jié)冰的同時大量的鹽分被排除在冰晶之外。大家認(rèn)為海冰就是純凈冰晶嗎?答案是否定的。海冰中是含有鹽分的，海冰里的鹽分是海冰形成過程中包裹的海水，也就是所謂的鹽泡。把海冰擊碎鹽泡也隨之破碎，鹽水就會流出。但是由于冰溫較低，鹽泡中鹽水黏度較大，鹽泡破碎后鹽水都粘附在冰表面。給以外力或降低黏度，使鹽水從冰表面脫掉，這就是海冰淡化的基本原理。

同海水淡化一樣，海冰淡化技術(shù)也有了突破性的進(jìn)展。以中國的環(huán)渤海地區(qū)為例：中國科學(xué)家已能將渤海海冰作為淡水資源加以利用，灌溉農(nóng)田、養(yǎng)殖淡水魚，在世界上做出了一項(xiàng)具有原始創(chuàng)新性的工作。

環(huán)渤海地區(qū)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和城市化水平較高的地區(qū)之一，然而，水資源嚴(yán)重不足已成為制約該區(qū)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的主要因素。而海冰淡化恰恰可以解決環(huán)渤海地區(qū)的水資源問題。該地區(qū)冬季氣溫較低，每年結(jié)冰期長，結(jié)冰量大，可開采的海冰不少于400億立方米，相當(dāng)于南水北調(diào)三條線調(diào)水量的總和。渤海灣冰區(qū)，海冰鹽度為0．14％～0．4％，平均為0．26％。若對海冰融水再成冰，其鹽度降低幅度在40％～70％，融水鹽度可到0．05％～0．2％。可見研究利用沿海地區(qū)的海冰融水是開辟新水源的一種重要方式。

另外這些資源在冬天采集收存，春夏加以利用，是豐富的淡水資源的原材料，而且這種資源只要有較低的溫度作為保障可以取之不竭。可見海冰淡化是解決環(huán)渤海地區(qū)水資源短缺的創(chuàng)新技術(shù)，與海水淡化工程相比較，海冰淡化示范工程在投資額、產(chǎn)水量、造水成本、大規(guī)模戰(zhàn)略水資源儲備等方面都具有明顯優(yōu)勢。

海冰作為淡水資源，其主要限制因子是海冰融水的鹽度和堿度。我國北方沿海地區(qū)海冰融水鹽度在該區(qū)作物生長的容許范圍內(nèi)，可直接用于灌溉農(nóng)田。同時，渤海海冰融水也可作為城市清潔(環(huán)境衛(wèi)生)用水和一些工礦企業(yè)設(shè)備冷卻用水。

我國水資源匱乏，又是海洋大國，沿海城市一半以上缺水，所以海水淡化、海冰淡化應(yīng)作為解決沿海和島嶼水資源不足的重要途徑和方法之一。應(yīng)加快海水淡化開發(fā)利用的戰(zhàn)略對策研究和實(shí)踐，使我們國家不但是海洋大國，還要成為海洋利用強(qiáng)國。

【責(zé)任編輯】唐宇