怎樣把海水變成淡水?
樂圣
從海水中取得淡水的過程謂海水淡化?,F(xiàn)在所用的海水淡化方法有蒸餾法、海水凍結(jié)法、以及離子交換法、反滲透法,目前應(yīng)用反滲透法及蒸餾法是市場中的主流。
人類的生存離不開水,地球上雖然有大量的水,可惜能為人類所利用的淡水卻少得可憐。當(dāng)人類為缺水感到困惑時(shí),毫無疑問會(huì)將目光投向總量遠(yuǎn)比淡水多得多的海水。海水中含有3.5%的鹽類化合物,如何低成本地把這些化合物從水中除去,一直是化學(xué)家們孜孜以求的目標(biāo)。
目前,常用的海水淡化方法有以下幾種:
蒸餾法。將海水加熱,使其中的水變成蒸汽,再讓蒸汽冷凝下來。由于海水中所溶的鹽類不會(huì)隨著蒸汽出來,因此得到的水就是幾近純水的蒸餾水。然而,無論是加熱還是冷凝,都需耗費(fèi)能源。每蒸發(fā)1 克水就需要2.3 千焦的能量。所以這種方法救急可以,卻不是一個(gè)長久之計(jì)。
海水凍結(jié)法,即冷凍海水使之結(jié)冰,在液態(tài)淡水變成固態(tài)冰的同時(shí)鹽被分離出去。冷凍法與蒸餾法都有難以克服的弊端,其中蒸餾法會(huì)消耗大量的能源并在儀器里產(chǎn)生大量的鍋垢,而所得到的淡水卻并不多;而冷凍法同樣要消耗許多能源,但得到的淡水味道卻不佳,難以使用。
離子交換法。溶解在水中的鹽分,都以陽離子和陰離子的形式存在。如果有一種東西可以把這些離子移走,那么水也就得到純化了。離子交換樹脂就具有這樣的能力。離子交換樹脂是一種具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的不溶于水的高分子材料。它猶如一棵大樹,上面有很多樹枝,每個(gè)樹枝上都有一個(gè)口袋。當(dāng)海水通過的時(shí)候,陽離子會(huì)把陽離子交換樹脂“口袋”中的氫離子交換出來,陰離子會(huì)把陰離子交換樹脂“口袋”里的氫氧根離子交換出來,而氫離子和氫氧根離子相遇就變成了水。不過, 離子交換樹脂在使用了一段時(shí)間后會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài),怎樣使離子交換樹脂可以持續(xù)使用呢?由于離子交換是可逆的,因此可以分別用酸和堿進(jìn)行反交換來更新,這樣就能使離子交換樹脂可以反復(fù)使用了。但離子交換法處理能力有限,并需要大量的酸和堿來使樹脂“再生”,如果大量用于海水淡化,成本太高,因此目前這種技術(shù)主要應(yīng)用在水的進(jìn)一步純化方面。
反滲透法。滲透是大自然中一個(gè)非常普遍的自然現(xiàn)象。例如,植物就是靠根部的滲透來吸取水分的,滲透平衡對(duì)人的生命活動(dòng)也極為重要。滲透是依靠一種稱為半透膜的材料來實(shí)現(xiàn)的。半透膜可以讓水自由通過,而水中的其他化學(xué)物質(zhì)是通不過的。如果半透膜的左邊是純水,右邊是溶液的話,從純水這邊通過半透膜的水就會(huì)比溶液右邊通過半透膜的水多得多。這是因?yàn)?,純水上方的飽和蒸汽壓(P0)比溶液上方的飽和蒸汽壓(P )大。當(dāng)純水和溶液上方均處于1.01×105帕(1 atm)的壓力下,驅(qū)動(dòng)水分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力決定于飽和蒸汽壓。于是純水這邊液面下降,溶液那邊液面上升,到一定的液位差就達(dá)到平衡,這就是滲透現(xiàn)象。植物根部的表皮就是這樣一種半透膜。如果在溶液上方加壓,使溶液上方的總壓大于純水上方的大氣壓,情況就會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)。此時(shí)驅(qū)動(dòng)水分子通過半透膜的動(dòng)力就決定于兩邊的壓力差。壓力差大,溶液中就會(huì)有更多的水通過半透膜流向純水。
用反滲透法將海水制成淡水的方法又稱為“膜技術(shù)”。它的關(guān)鍵在于半透膜。這層膜要有一定的強(qiáng)度,因?yàn)槭紫忍幚磉^程是要加壓的;其次它必須具有百分之百的選擇性,只能讓水通過,而任何其他化學(xué)物質(zhì)是不能通過的;最后它還應(yīng)該有較大的通過量,以加快制備過程。目前半透膜所存在的問題是成本高、壽命短。處理的溶液濃度愈高,膜的壽命愈短。如果這兩個(gè)問題能解決的話,膜技術(shù)將會(huì)成為海水淡化最有前途的一種方法。