“海水資源的利用”工藝設計

■趙玉雙(博士)

浩瀚的海洋是一個巨大的寶庫,海水就是一項取用不盡的資源,它不僅有航運交通之利,而且經過淡化就能大量供給工業和生活用水。海水中含有多種元素,可供提取利用的有50多種。限于經濟技術條件,從海水中主要提取食鹽、鉀鹽、溴、碘、鎂等物質。目前從海水中制得的氯化鈉除了供食用,還作為化工原料用于生產燒堿、純堿、鈉、氯氣、鹽酸等。從海水中制取鎂、鉀、溴及其他化工產品,就是在傳統海水制鹽工業的基礎上發展起來的。

一、食鹽的提取

食鹽提取的方法是將海水引入海灘上的鹽田里,利用日光和風力逐漸使水蒸發,慢慢濃縮,使食鹽呈結晶析出,這樣得到的是粗鹽,還含有一定量的Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO2-4等可溶性雜質,我們可以利用化學沉淀法進行提純。

例1 為了除去粗鹽中的Ca2+、Mg2+、SO2-4及泥沙,得到純凈的NaCl,可將粗鹽溶于水,然后進行下列操作。正確的操作順序是( )。

①過濾 ②加過量NaOH 溶液 ③加適量鹽酸 ④加過量Na2CO3溶液 ⑤加過量BaCl2溶液

A.④②⑤①③ B.④①②⑤③

C.②⑤④①③ D.①④②⑤③

粗鹽經溶解、過濾除去難溶性的雜質泥沙,也可加入沉淀劑后將沉淀與難溶性雜質一并除去。根據除雜時不能引入新的雜質的原則,除雜盡可能選擇含鈉離子或氯離子的試劑,但每一步所加過量試劑必須通過后續所加試劑除去。

本題目中可能的除雜順序有:BaCl2→NaOH→Na2CO3→HCl;BaCl2→Na2CO3→NaOH→HCl;NaOH →BaCl2→Na2CO3→HCl。其中過量的NaOH 溶液和Na2CO3溶液都可以通過加入適量鹽酸除去,而過量的氯化鋇溶液只能靠Na2CO3溶液除去,所以只要Na2CO3加在BaCl2之后保證過量的BaCl2溶液被Na2CO3溶液除去便合理。最后加入的鹽酸只能適量。此題的主要目的:既要除去原混合溶液中的雜質,又不能引入新的雜質。解題思路如下:

答案:C

二、溴的提取

工業上常常采用空氣吹出法提取溴,其基本流程為:酸化→氧化→空氣吹出→吸收→氧化→蒸餾。具體空氣吹出法的工藝流程如下。

空氣吹出法的第一步是在預先經過酸化的濃縮海水中,用氯氣氧化溴離子使之成為單質溴,繼而通入空氣和水蒸氣,將溴吹入吸收塔,使溴蒸氣和吸收劑二氧化硫發生反應生成氫溴酸,達到富集溴的目的,也就是得到高濃度的溴離子溶液。然后,再用氯氣將其氧化得到產品溴。主要涉及反應的離子方程式為2Br-+Cl2══2Cl-+Br2,SO2+Br2+2H2O ══4H++2Br-+SO2-4。

例2 已知海水中溴元素主要以Br-形式存在,工業上從海水中提取溴的流程如下:

(4)四氯化碳與水互不相溶,且溴在四氯化碳中的溶解度遠大于在水中的溶解度

三、碘的提取

碘是國防、工業、農業、醫藥等部門和行業所依賴的重要原料,海洋水體蘊藏的碘極豐富,總量達800 億噸。利用曬鹽后的鹵水也可提取碘,從海水曬鹽后的苦鹵中提取碘的工藝流程如下。

把電解食鹽水得到的氯氣通入苦鹵中,發生氧化還原反應的離子方程式為2I-+Cl2══2Cl-+I2。得到的碘單質用有機溶劑萃取、分液后得到含碘的有機相,然后加入氫氧化鈉溶液,碘迅速歧化,又進入水溶液中,從而與有機溶劑分離,進而酸化處理可得粗碘。粗碘可通過升華的方法得到高純度的碘晶體。

某些海藻具有吸收碘的能力,例如干海帶中含碘的質量分數為0.3%～0.5%,比海水中碘的濃度高10 萬倍。海帶是從食物中攝取碘元素的最佳食品,我們也可以利用化學基本操作從海帶中提取碘。

海帶灼燒得到的海帶灰用蒸餾水溶解,過濾,得到含碘離子的溶液,加入過氧化氫氧化碘離子為碘單質,再加入四氯化碳萃取分液得到含碘單質的四氯化碳溶液,據此分析解答。(1)步驟②加熱煮沸一會兒可以使海帶灰中含碘物質快速充分溶解。(2)步驟④是在酸性條件下過氧化氫將碘離子氧化為單質碘,要注意氧化還原反應規律的理解和方程式的配平,離子方程式為2I-+H2O2+2H+══I2+2H2O。(3)步驟⑤中加入CCl4作萃取劑提取碘水中的碘,振蕩、靜置,可以觀察到CCl4層呈紫紅色,萃取所用的主要儀器是分液漏斗。

答案:(1)促使海帶灰中含碘物質快速充分溶解

(2)2H++2I-+H2O2══I2+2H2O

(3)紫紅 分液漏斗

四、鎂的提取

自然界中的鎂主要以化合態的形式存在于地殼和海水中。海水中鎂的總儲量約為1.8×1015t,含量約為1.28g·L-1。目前,世界上生產的鎂有60%來自海水。海水中鎂的含量較大,但鎂離子的濃度很低,因此我們需先將海水濃縮,利用曬鹽的母液作為原料制取鎂,工藝流程如下。

利用貝殼煅燒后制得的石灰乳作沉淀劑,使母液中的Mg2+沉淀為Mg(OH)2。接著利用鹽酸與Mg(OH)2反應并濃縮、結晶后得到MgCl2·6H2O,MgCl2·6H2O 在氯化氫氣流中加熱脫水后得到MgCl2。最后通過電解熔融MgCl2得到金屬鎂。流程中涉及反應的方程式有:

例4 海水的綜合利用可以制備金屬鎂,其流程如下。

(1)根據題給信息及質量守恒定律,MgCl2·6H2O 分解,除生成MgO 外,還應有氯化氫和水。而在干燥的HCl氣流中,MgCl2·6H2O 分解得到無水氯化鎂。(2)除去雜質的最好方法是把雜質轉化為主體成分,因此可加入MgCl2溶液。(3)考查的是玻璃棒的作用。

(2)加入MgCl2溶液,充分攪拌,過濾,洗滌

(3)攪拌,加速溶解 使待濾液體沿玻璃棒流入漏斗,防止外灑 攪拌,防止因局部過熱使液滴或晶體飛濺

海洋中蘊藏著豐富的生物資源,不僅是人類食物的重要來源,還是重要的醫藥原料和工業原料。海洋中還蘊藏著豐富的礦產資源:石油、天然氣、煤、硫、磷等。海洋的潮汐中蘊藏著巨大的能量,可用來發電。總之,海洋是一個豐富的寶庫,愛護海洋環境是我們每一個人的義務。