怎樣把海水變成淡水?
從海水中取得淡水的過程謂海水淡化。現在所用的海水淡化方法有蒸餾法、海水凍結法、以及離子交換法、反滲透法,目前應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,可惜能爲人類所利用的淡水卻少得可憐。當人類爲缺水感到困惑時,毫無疑問會將目光投向總量遠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,一直是化學家們孜孜以求的目標。
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。由於海水中所溶的鹽類不會隨着蒸汽出來,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,都需耗費能源。每蒸發1 克水就需要2.3 千焦的能量。所以這種方法救急可以,卻不是一個長久之計。
海水凍結法,即冷凍海水使之結冰,在液態淡水變成固態冰的同時鹽被分離出去。冷凍法與蒸餾法都有難以克服的弊端,其中蒸餾法會消耗大量的能源並在儀器裏產生大量的鍋垢,而所得到的淡水卻並不多;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,那麼水也就得到純化了。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狀結構的不溶於水的高分子材料。它猶如一棵大樹,上面有很多樹枝,每個樹枝上都有一個口袋。當海水通過的時候,陽離子會把陽離子交換樹脂“口袋”中的氫離子交換出來,陰離子會把陰離子交換樹脂“口袋”裏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間後會達到飽和狀態,怎樣使離子交換樹脂可以持續使用呢?由於離子交換是可逆的,因此可以分別用酸和鹼進行反交換來更新,這樣就能使離子交換樹脂可以反覆使用了。但離子交換法處理能力有限,並需要大量的酸和鹼來使樹脂“再生”,如果大量用於海水淡化,成本太高,因此目前這種技術主要應用在水的進一步純化方面。
反滲透法。滲透是大自然中一個非常普遍的自然現象。例如,植物就是靠根部的滲透來吸取水分的,滲透平衡對人的生命活動也極爲重要。滲透是依靠一種稱爲半透膜的材料來實現的。半透膜可以讓水自由通過,而水中的其他化學物質是通不過的。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比溶液右邊通過半透膜的水多得多。這是因爲,純水上方的飽和蒸汽壓(P0)比溶液上方的飽和蒸汽壓(P )大。當純水和溶液上方均處於1.01×105帕(1 atm)的壓力下,驅動水分子運動的動力決定於飽和蒸汽壓。於是純水這邊液麪下降,溶液那邊液麪上升,到一定的液位差就達到平衡,這就是滲透現象。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於純水上方的大氣壓,情況就會發生逆轉。此時驅動水分子通過半透膜的動力就決定於兩邊的壓力差。壓力差大,溶液中就會有更多的水通過半透膜流向純水。
用反滲透法將海水製成淡水的方法又稱爲“膜技術”。它的關鍵在於半透膜。這層膜要有一定的強度,因爲首先處理過程是要加壓的;其次它必須具有百分之百的選擇性,只能讓水通過,而任何其他化學物質是不能通過的;最後它還應該有較大的通過量,以加快製備過程。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。如果這兩個問題能解決的話,膜技術將會成爲海水淡化最有前途的一種方法。
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