书城自然科学求知文库-新时代的海洋工程
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第16章 水域之宝(1)

浩瀚的海洋,是传说中龙门的故居。在古代中国人眼里,龙是吉祥之物,又是海中之王,他们爱它,却又怕它;尊敬它,却又不敢亲近它。少年朋友听过哪吒闹海、孙悟空闹龙宫的故事,那都是美丽的神话;真正敢于翻江倒海与龙斗,潜入龙宫取宝物的勇士,是没有的。然而,科学发达的今天“可上九天揽月,可下五洋捉鳖”已成事实,龙潭取宝已是亿万群众的伟大事业。

大海无处不是宝,海水中有,海滩上有,海底下也有。人们预测:21世纪是“龙潭取宝”的时代,是开发海洋的时代,让我们潜入“龙潭”,把深藏在那里的各种各样的宝贝取出来,为人民造福,为人类造福。

海水中的“宝”

海洋是水的王国,偌大的地球,70.8%的面积被水占领了,海水总体积是13.7亿立方公里。所以水是形成海洋的第一要素,没有水便没有海洋。水本身就是“宝”,就是一个无与伦比的“宝库”。据测量,这13.7亿立方公里的水中,含镁1800万亿吨,钾500万亿吨,碘930亿吨,铷1900亿吨,银5亿万吨,金1000万吨,铀22亿吨……如果把海水中的氘(dao重氢)和氚(chuan超重氢)所蕴藏的能量,折算在石油那么该有多少石油呢?那真会叫你大吃一惊,它将超过海水的总体积,这是一个多么大的宝库啊!

在这个特大的“宝库”中,我们说四个宝:第一说水,第二说盐,第三说铀,第四说电,这都是最宝贵的,可谓“宝中之宝”。

1.水(海水淡化)

汪洋大海水是多,那是不能喝的,也不能灌溉土地。海上航行,一旦发生断水事件,那比遇上千级大风还要糟糕。据调查,地球上缺水的干旱地区和半干旱地区有5000万平方公里,占陆地面积34%。

随着人口的增加,经济事业的发展,供水量越来越大。全世界工农业生产用水和居民的生活用水,1900年是400立方公里,现在是3000立方公里,到21世纪需要6000立方公里。我国首都北京,现在有8个自来水厂,供水量比1949年增加了27倍,仍然满足不了各方面用水的需要。

1979年联合国水利会议上,有人大声疾呼:“水在不久以后,将成为一个严重的社会危机!”解决用水问题,就要开辟水源。既然地球上有70.8%水域面积,又何愁没有水用呢?原来海水是不能喝的,主要是因为含盐太多,海水平均含量3.5%,人喝了海水,不仅不能解渴,而且会渴得更加厉害。

含盐分的水进入体内,随即从肾脏变成尿排出体外,人体肾脏排泄盐的功能非常有限,最高不能超过2%。遇到高于这种浓度的情况,口渴得不行,生理上要求补充淡水把留存体内的盐水稀释。如果喝100毫升海水,必须补充75毫升淡水去稀释。倘若没有淡水去稀释,人体机能自动把细胞里面的水挤出来,去稀释盐分,再排出体外。这样一来,你喝进去100毫升,排出去175毫升,岂不是得不偿失?不仅不能解渴,反而渴得更加厉害,严重的还会出现脱水现象。如果人体失水11%—20%,就会抽搐、耳聋、视觉模糊、精神紊乱,甚至死亡。

所谓海水淡化,主要就是去掉海水中过多的盐分。16世纪英国女皇颁布一道嘉奖令,谁能想出廉价淡化海水的办法,可以得1万英镑的奖赏。这道嘉奖令发布了400多年,仍没有人拿到这笔奖金。原因是海水淡化的方法虽多,但耗费都比较高,没有廉价的。

沙漠地带,水贵如油,人们曾用一种朽木过滤器,可以得到少量的淡水,但是效果很不理想。

1606年,西班牙船工用蒸馏器在大帆船上提炼出了淡水,开创了人工淡化海水的先例。但是平日喝的水,里面含有人体需要的硫酸钾、硫酸镁、碳酸氢钠等微量元素。蒸馏水成分单一,久喝有损健康。所以直至今天,大海行船,都是预先储足用水,就像储足煤、油、粮食一样。航行中缺水断水,可以电话通知补给船送来。补给船就像公路上的加油站,它的任务是专给来往船舰加油添水的。贵是贵一点,比海水淡化还是要合算些。

现已经普遍采用低温蒸馏法淡化海水。大家知道,高山上煮东西,压力小,不到100℃就开了。如果只有1/43个大气压,水温20℃就沸腾起来了。

行船的废气废热用在低温蒸馏机上,便可得到廉价的淡水。

海水淡化还有电渗析法、反渗析法、冷冻法。以上方法中,采用低温蒸馏法最普遍,占了90%以上。日本主要用反渗析法,最近一种低压、高流量、高脱盐率的反渗透膜研制成功,也可以获得廉价的淡水。

这个“廉价”,只是对过去而言,最早淡化海水,1公斤石油仅能生产35公斤淡水,现在1公斤石油可以生产300公斤淡水,当然可以算廉价,但比之自来水公司供应的水,那要贵7—10倍,所以英国女皇颁布的嘉奖令,至今仍有效,一直到目前,谁也没有去领这笔奖金。

海水淡化,都是在缺水无可奈何的情况下进行的,例如:中东干旱缺水的科威特和沙特阿拉伯,气候炎热,年平均温度33℃,夏季最高52℃,年降雨量37毫升,那里沙丘起伏,荒漠纵横,没有一处常年积水的江河湖泊,居民吃水用水,严加限制,工业用水更是困难之极。过去只好靠船载车拉,到国外去运水,现在已建起了许多淡化工厂,并将淡化的水储存在高耸入云、巍峨壮观的具有本民族艺术风格的水塔之中,保证居民的用水。

2.盐(海水制盐)

人必须每天吃盐,才能维持体液的正常盐分。人的血清中含盐0.9%。

所以浓度为0.9%的盐水叫做生理盐水,注射用的就是这种生理盐水。健康人每天需要补充10—12克盐。盐对人体的新陈代谢起着重要的作用。胃液中的盐酸就是由盐产生的,盐酸不仅有帮助消化的作用,而且有杀菌作用,它能杀死随食物进入胃里的细菌。所以食盐不仅是重要调味品,也是人体正常生理活动所必不可少的物质。

古代的人,缺少制盐的技术,而对含盐极富的大海,却没有盐吃。对于那些远离海洋的人,盐就是“宝”,是“宝中之宝”。公元六世纪,撒哈拉南部,1两食盐可换1两白金。阿比西尼亚曾以盐砖作通用货币,用3—5块盐砖能买回一个奴隶。古代有些国王就餐,盐便放在他的面前,同桌吃饭,只有王公贵族,才能坐在盐的附近。盐成了区分人的地位的标志。有些国家用盐支付工资,古罗马士兵领饷就是领盐。难怪英文“工资”(salary)一词是从“盐”(salt)演化来的。那时候,盐的特殊地位是我们今天无法想象的。人们随身带着一包盐,驱邪压惊,就像护身符一样,遇上不幸,就轻轻呼唤:“我要吃盐,我要吃盐”。就像今天念“南无阿弥陀佛”,或者“菩萨保佑”一样。如果有人不慎把盐罐子碰翻了,打碎了,那就预示着大祸将要临头。

盐在工业上的用途很广,需要量更多。它是化学工业中纯碱、烧碱和盐酸的基本原料,生产化学肥料氯化铵离不开它,生产有机合成产品氯乙烯、聚氯乙烯离不开它,生产氯丁橡胶也离不开它。此外,肥皂工业、染料工业、钢铁工业、皮革业、陶瓷业等等都需要盐,所以人们称它“化学工业之母”、“生活生产之宝”。

我们说盐是:“宝中之宝”,也许有的少年朋友会笑:1块钱买1斤,哪有这么便宜的“宝”?是的,工业发达的今天,盐是最便宜的,海水中的盐多的不得了,世界海洋平均盐度为35‰,1吨海水里面含了70斤盐,如果把所有的海水中的盐提取出来覆盖在大陆上,那足有150米厚。但我们仍要称它是“宝中之宝”,因为它的用途、它对国计民生的意义实在太大,别的东西无法取代它。

从海水中取盐,最普通的是采用太阳蒸发法,先把海水引入盐田,经过日晒风吹,盐分不断加大,变成苦卤,苦卤再晒,排除氧化铁、硫酸钙之类的杂质,析出盐分,使之成为氯化钠结晶,便得到海盐。还有采用其他方法的,如前苏联、瑞典这些高纬国家采用冷冻法,日本因温度和降雨条件不利,不适宜用蒸发法,所以主要采用电渗析法。冷冻法和电渗析法既是海水淡化的方法,又是海水盐制的方法,两道工序一次完成,一箭双雕,利益倍增。

我国海岸线长达18000多公里,海滩平坦辽阔有大量土地可以开辟为盐田,气候也适于晒盐,特别是渤海、黄海沿岸,降雨量少,蒸发量大,生产食盐,极为方便。

我国海水生产食盐的历史悠久,相传公元前4000多年夙沙氏就教民煮海水为盐,从福建省发掘出土的古物中即有熬盐工具,证明早在仰韶时期,当地已用海水煮盐。春秋时期,管仲作了齐桓公的宰相,专设了盐官煮盐。大约到明朝永乐年间,开始废锅灶,建盐田,放入煮为日晒。

我国过去多采用涨潮纳水,人工扒盐,手推车运等一套老办法,盐民十分辛苦。现在已经实现机械化生产,电力机械扬水,收盐机扒盐,水力管道运输,产量大大增加,年产量1000—1500万吨,居世界首位。我们还在盐场新建了一批化工厂,生产氯化钾、氯化镁、芒硝、溴素等多种产品,在综合开发、充分利用海水资源方面取得了好成绩。

3.铀(海水提铀)

原子弹是杀伤力最大的武器,它有冲击波、光辐射和放射性污染等多种破坏因素,它的威慑力量,足以使人胆战心惊。你知道那里面装的是什么“炸药”吗?是铀。核潜艇的推进力量功率高达3万马力,潜航二、三个月,航程可达20万海里,它用什么做燃料呢?还是铀。铀裂变时能释放出巨大的能量,1公斤铀的能量等于2000—3000吨优质煤燃烧时所释放出来的能量。随着核武器和和平利用原子工业的飞速发展,对铀的需要与日俱增。可是陆地上铀的贮量极其有限,据测试,有开采价值的总共不过100万吨。而海水里含铀浓度虽然不高,但海水极多极多,铀的总量相当可观,达45亿吨。如果能从海水中提炼铀,把这个“宝”取出来,造福人类,那该有多好啊!

对海水中铀的研究,可以追溯到1935年,当时有人测定海水中的含铀量,但没有方法从海水中提取这含量极稀的铀。到20世纪70年代能源危机日趋严重,铀价上涨,铀生产国限制输出,那些缺铀国家,急于想扩大铀的来源,海水提铀的研究才被重视起来。许多国家相继成立了研究机构,制定了研究规划,采取了实际步骤,大力研究海水提铀的系统工程。

海水提铀最大的困难是水中含量太稀,提铀成本太高,因此先要想出富集铀的办法。科学家曾研究一种萃取法,它是以磷酸二丁酯作萃取剂,在旋转的圆形柱中与酸化的海水接触进行抽铀,每20升海水可获60微克铀。这种方法技术上是可行的,但因溶剂耗费太大,生产困难。后来还研究了起泡分离法、生物富集法、吸附法等,都可以使水中微量的铀富集起来,但或因技术复杂,或因成本太高,或因机械强度不够,正式投入大规模生产条件还不成熟。但总有一天,而且不会太久,海水提铀工业化一定会实现。

4.电(海水发电)

海水中有电吗?这些电来自何处?能用来照明、开机器吗?

我们说的海水中的电,不是电鳐、电鳗等海洋生物所发出的电,也不是开采海下石油、天然气燃烧发的电,而是海水运动所产生的能量转换来的电。

它同样可以照明、开机器,它是一种最廉价的电,一次投资,百年受用,取之不尽,用之不竭。

当你立在海边悬崖峭壁前,会看到汹涌澎湃的波涛不停地冲打着岩石,溅起千尺浪花。大海好像有着使不完的劲,日复一日,年复一年,从早到晚,不停地拍打着,坚硬的岩石变得千疮百孔。人们作过测试:强波地1米长的海岸线所做的功,每年约10万千瓦小时,强波对每平方米的石面冲击可达20—30吨,最大可以超过60吨。飓风所掀起的大浪,可把100吨重的岩石抛到20米高的地方,可以把万吨大船推上岸几百米远处。有人做过计算,波浪能量每秒钟为2.7×1200瓦,每年的波能总量为23万亿千瓦小时。

海水运动包括水平运动和升降运动,海浪冲击只是水平运动,能量之大,已是惊人,而升降运动所产生的能量更无法估计。前面我们说过的潮汐能,全世界蕴藏着27亿千瓦,若利用起来,年发电量可达12000亿度。

在热带海区,太阳直射,90%的太阳能都被海水所吸收,海面温度高达25—30℃而40米下的水温只有5℃,这一温差,潜藏着巨大能量,据计算,海水温差能(又称海洋热能)蕴藏有500千瓦。

首先提出温差发电方案的是法国物理学家德阿松瓦,第一个用事实证明可以发电的是他的两位学生克劳德和布射罗。

1926年11月15日,在法兰西科学院大厅里,座无虚席,全部目光都集中到试验台两个烧瓶和连着一圈电线的小灯泡上。左边的烧瓶里放入冰块,并保持在0℃(模仿海洋深层水温)。当克劳德开动真空泵抽水机抽出右边烧瓶中的空气时,温水沸腾,水蒸气吹动涡轮机旋转并带动发电机发电。一瞬间3个小灯泡同时发出耀眼的光芒,顿时激起全体观众一阵热烈的掌声。

为什么真空泵抽出烧瓶内的空气,温水就沸腾起来了呢?因为开动真空泵后,瓶里气压便低,水的沸点也随之降低。实验表明,当水的压力只有大气压的1/25时,水的沸点只有28℃,水便迅速变为蒸汽。高速的蒸汽推动涡轮机转动,涡轮机又带动发电机,便发出电来。通过涡轮机的蒸汽进入左边的瓶子后,被瓶内冰块冷却而凝结成水,所以右边瓶中始终保持低压,水也不断汽化。这虽然是一个小的试验,但它证明海水温差可以发电。1930年克劳德在古巴建立了世界上第一座水温差发电站,用事实展现出利用海洋热能广阔前景。

海洋能发电,没有污染,建厂投产以后,长期为人类服务,这是一件大有可为的事业。从目前情形看,海洋温差发电最有发展前途;从技术条件看,潮汐发电、海浪冲击发电已普遍实施,进入商品化生产阶段。发达国家在利用海洋能发电方面各有侧重,美国侧重搞温差发电,英国侧重搞海浪冲击发电,日本侧重于搞海浪和温差发电,法国、前苏联侧重搞潮汐发电。

海水中的“宝”远不止这些。已知海水中含80多种元素,按理说都是“宝”,都可以提取,但毕竟含量稀少,提取成本太高。第一次世界大战后,德国曾想在海水中提取黄金,以偿过战争赔款,终因耗费太多而作罢。如果我们能够把海水中的“宝”,都提取出来,人类的富有,将是难以设想的。

海滩上的“宝”

1.海滩上有哪些“宝”

海滩上除了沙子还是沙子,哪有什么宝物可取?不对,海滩上的宝物多着呢。海滨砂矿就是海滩上的矿床,那里面含有许多贵重的金属,都称得上“宝”。黄金算不算宝?算宝。有一部分黄金就是海滨砂矿中开掘出来的。

海滨沙金一般产于近岸线海区的沉没河床和古海滩沉积物中,含金的沉积物就藏在细砂、粗砂和砾石的交互层中。世界闻名的美国诺姆沙金,已有60年开采历史,金子就藏在粗砂与砾石之间,每吨沙子中可采掘5—10克金子。