海水淡化设备多效蒸发法是另一种蒸馏法,它使导热面的两面一边是蒸汽一边是水,蒸汽在上面冷却,水在下面加热,一举两得。不过用这种办法时,结垢问题比多级闪蒸法严重,得想办法解决。
低温多效蒸发法能利用37~65℃的温度淡化,需要的热量少,能用电厂废热供给。有可能用太阳能作为能源,或者直接加热海水,或者把热量储存在太阳能池里再用,这样可以不必燃烧化石燃料。直接利用时把水池壁涂黑,使它能最大限度地吸收太阳能,使水汽化,然后在池上方的玻璃壁上冷凝,加上多效的原理,提高热量的利用率。储存的办法则使太阳能把集热管里的水加热,把热水储存在太阳能池里,热水是很好的热源。太阳能淡化器的投资比较高,因而限制了它的使用。
反渗透装置反渗透法海水淡化,是用压力驱使海水通过反渗透膜,膜的微孔很小,水的分子比较小,可以顺利地通过,而把分子较大的盐留在膜后面。这种淡化技术近来发展得很快,在它的基础上又发展了超滤技术。反渗透法的关键是在膜上。膜既要能透水留盐,又要能经得起高压的水流过而不致损坏。这种膜是用高分子材料做成的。醋酸纤维素膜的材料来源丰富,价格便宜,可是不耐用,脱盐的效果也不理想,不宜于直接淡化海水;聚酰胺膜的机械强度比较高,脱盐的效果比较好;聚砜高分子膜是一种复合反渗透膜,本身包含有效层和支持层,性能更好。这些高分子材料可以纺成纤维,织成膜。叠成平板形的膜不能耐压;卷成管状、螺旋管状最结实,能承受压力;做成中空纤维的效果最好。在海水通过膜之前,要先进行前处理,灭菌、除污和加化学药剂调节酸碱度,否则海水很快就会把反渗透膜堵塞,使它不能工作。反渗透法脱盐的效果与海水的盐度有关,有时一级反渗透脱盐还不足以制出合格的淡水,需要二级脱盐。反渗透法不需要热源,只需要电力驱动高速旋转高压泵把海水加压。目前新材料层出不穷,有了更理想的膜材料,这种淡化方法的效率会更高,成本也能降下来。
电渗析法也是用膜把水和盐分开的技术,但是这种膜要在电场的作用下才有淡化的本领。在电渗析槽内插上阴阳离子交换膜和隔板,充进海水,加上直流电场,海水里的电解质就被电解,里面的阴阳离子分别通过交换膜跑掉,留下的水中就不含盐了。用隔板隔开,可以在一个电渗析槽内装多组膜。膜的材料也是高分子聚合材料——聚苯乙烯磺酸和聚苯乙烯季胺。电渗析法的耗电量与海水的浓度成正比,所以这种办法最好用在浓度较低的地下苦咸水淡化中,如果用来淡化海水,一级淡化效果不好,需要多级淡化,成本就高了。我国1981年在西沙群岛永兴岛上建了一座日产200吨淡水的电渗析淡化站,一直工作到现在。
水有很特殊的性质,汽化时不会把溶质带出来,结冰时也不会把溶质带出来。利用这个性质,与蒸馏法相反,不把海水汽化,而用冷冻海水的方法也可以达到淡化的效果。冰融为水所需要的热量只有水蒸发为汽所需要的热量的13%,可以节约大量能源。另外,低温下盐对容器的腐蚀不像在高温下那么严重,所以冰冻法可能将来还会有发展。如果仿照多效蒸馏的办法,把冰冻和蒸发相结合,可以更有效地利用热量。
现在海水淡化的真正问题还是成本过高。最初的海水淡化是烧1吨油换1吨水,那就不如用船运淡水了,除非迫不得已,谁也用不起淡化水。自从有了上述的新技术以后,情况要好得多。截至2006年年底,我国日淡化海水能力接近15万吨,海水淡化成本逐步下降,已接近5元/立方米。要使淡化更加实用,还得继续努力开发新技术,研制出效率更高、更耐久的膜,在工艺上巧用多级、多效等方法,更有效地利用能量,以及利用太阳能、风能、地热能和海洋能等可再生能源作为动力。
冰山大陆架上有很多古河道,在海面上升时被海水淹没,这些古河道下的沙层中藏有大量的淡水。有些地方虽然没有古河道,可是海底地层里有地下水,这也是重要的淡水水源。用卫星遥感的方法可以找到海底淡水储藏在什么地方,再用浅地层剖面仪探查海底地层,详细调查沉积物里淡水的分布。在淡水露头的地方可以直接用潜水泵抽取,在没有露头的地层上可以探明含水构造,然后打井抽淡水。这种水源利用起来可能比海水淡化还经济。美国开发海底淡水解决了夏威夷的城市用水,希腊在爱琴海成功地开发了一处日产淡水100多万立方米的海底涌泉,灌溉了沿海3万公顷旱地。我国长江口古河道中有很丰富的海底淡水,现在已经对资源作了周密的调查,还在长江口外的嵊泗列岛开始开发。将来全面开发这个淡水资源将能解决舟山群岛的淡水供应问题。
地球上绝大部分淡水都冻结在南极洲和格陵兰等北极岛屿的冰盖里,冰盖边缘不断断裂成冰山后漂流出来。全球冰盖的淡水量等于地表水和地下水总量的3.35倍。能不能把冰山用拖船拖运到缺水的沿海港口,融化成淡水使用呢?有人曾做过这种试验,把南极洲附近的冰山拖到南美洲。人们发现利用冰山淡水有很多困难:形状不规则的冰山在拖运时阻力很大,费力拖到目的地后,很难把它融化,也不容易把融化后的水收集起来,融化时吸收大量的热,会使气候变化,破坏当地的生态环境。
虽然已经有这么多的办法和设想向海洋要淡水,可是仍然没有找到一个十全十美,既有效又经济可行的办法。这个问题只有留待今后去解决了。
海水也是工农业的血液
海水冷却塔分析一下世界上淡水的耗用情况,人们发现在工业中,冷却水是最大的用户,而在冷却水中,发电厂的冷却水用量又是最大的。一座180万千瓦的大型火力发电厂需要的冷却水达66立方米每秒,相当于黄河平均流量的1/25。核电厂需要的冷却水比火电厂还多,在内陆上哪儿去找这么大的水源!出路只有一条,就是直接用海水当冷却水。难怪近些年来新建的大型火力发电厂和核电厂都在海边。一般将厂址设在取海水方便的地方,取水口选在波浪打不到的隐蔽处,或者修筑防波堤保护取水口,用很大的泵从海面下把海水抽上来,用管子通到电机的换热装置中。海水把电机发出的热量吸收,使电机冷却,海水的温度升高。用过的海水在排到海里之前最好先利用它的余热,例如用来淡化海水,化害为利,排出的海水比周围的海水温度就不会高得太多了。冷却电机后排出的海水里可能带有冷却系统中的有毒物质,排海前得处理一下,把毒物去掉。这种直排式的冷却法用水较多,如果循环使用冷却海水,把用过的海水经过处理再用,用水就少多了。
除了发电厂以外,纯碱生产、石油精炼、炼钢和动力设备的冷却也可以用海水。上面说的冷却过程都是间接冷却,海水从冷却换热器里通过,不接触物料。有些生产过程可以用海水直接喷淋,达到降温的效果。
大亚湾核电厂日本是个岛国,大部分工业都建在海边,工业用海水的数量已经占了总用水量的60%,1995年仅发电产业就使用海水1,200亿立方米。如果不使用海水,日本哪里找得到那么多的淡水!美国在20世纪70年代末每年就利用了海水720亿立方米。我国沿海工业城市如大连、青岛等早就用海水直接作为冷却水,用于发电和制碱。青岛电厂每天耗海水70万立方米。秦山、大亚湾核电厂和即将兴建的山东、江苏和广东的核电厂都位于海边。新建的大火电厂,如在秦皇岛、黄骅、漳州、江苏北部和深圳等地新建的大火电厂,无不把厂址选在有取海水条件的沿海地区,用海水作为冷却水。
使用海水会出现管道腐蚀、生物附着和结垢等问题,因此这些问题在设计海水冷却系统时必须考虑到。取水口最好建在较深的海域,如果没有条件,在浅海中取水时,应该建造海水池,把海水先抽上来存在池里,否则落潮时就无水可抽了。有些地方可以打井取海水。
淡化海水的装置建造冷却塔既可以有效地使用海水,又可以在塔内加进杀生剂,像氯气,把海水中的生物杀死,避免它们附着,堵塞管道,使冷却的效率降低。冷却塔的温度不能过高,否则生物附着和腐蚀都比较严重。对于换热器,得用电化学方法防止海水腐蚀。在管道内壁涂上各种树脂涂料、喷铝、贴橡胶或聚乙烯等塑料衬里,或者用纤维强化树脂、钢化塑料、球墨铸铁、混凝土等耐腐蚀的材料制造。在管道内涂的涂料中掺入含毒物(铜或锡的化合物)的防污漆,也可以防止生物附着。管道里还可以装上能自动在里面刷洗的装置,清除结的垢和附着的生物。
海水用于纺织印染厂是我国的创举。海水中的许多天然物质对染整工艺不但没有坏处,反而有很大的好处。比如氯化钠对海水中的染料有排斥作用,能促使染料尽快地染到织物上。用海水染的料子带有负离子,排斥大气中的灰尘,所以这种料子有防尘作用。海水中的另一些盐类还能提高染色质量。这一来,每年全国又可以省掉几亿吨的淡水消耗。
种庄稼用的水比人们的生活用水多得多,科学家当然不会放过用海水灌溉农作物的问题。有些植物喜欢含盐水,或者不怕含盐水。例如海蓬子就是生长在盐碱地里的能用海水灌溉的作物,它的果实含油量很高,榨出来的油可以食用,而且味道不错,榨油剩下的饼还可以用作饲料和肥料。在沙特阿拉伯,已经成功地种植了这种作物,还试种了喜盐的牧草,长得很茂盛,家畜也喜欢吃。
世界上许多地方都在试验用海水灌溉农作物,有不少人获得成功。用海水灌溉小麦、大麦、蔬菜、牧草、果树和烟草等农作物,效果都不错,照样有收成,也没有因此长出咸麦子或者结出咸西瓜,土地也没有恶化。当然这还是短期、局部的尝试,还需要长期地观察。如果庄稼能改变习性,那么沿海有条件的地区都可以把海水抽上来浇地,淡水危机就能缓解了。
两千年的古老产业
盐是人们生活中不能缺少的调味品早在石器时代,人类就知道吃盐和从海水中熬盐。在两千年前的春秋时期,齐国和燕国就因兴渔盐之利而富强起来。所以说从海水中制盐是两千年的古老产业。历代封建王朝一直把盐作为专卖的商品,把制盐业视为国家的命脉。
盐是人们生活中不能缺少的调味品。“盐和百味”,缺了盐,什么菜也不香。盐的成分氯化钠是人体血液的重要成分,维持血液的渗透压,使血液能够循环,进行新陈代谢。血液中盐的含量低了,人就不能生存。一个健康的人每天需要摄入5~20克盐。用盐腌菜、鱼肉、鸭蛋可以防腐保藏,而且味道很好。盐还是十分重要的基本工业原料,用盐可以制造烧碱(氢氧化钠)、纯碱碳酸钠、氯气和盐酸等基本工业原料和各种化肥,有人称盐为“化学工业之母”。我国海盐产量居世界首位,约占世界海盐产量的30%。
盐场我国海盐生产的方法几千年基本没变,还是日晒法。这种方法工艺简单,利用太阳能使水蒸发,不需要动力,投资少,耗费也少。在海滩上辟出盐田,趁涨潮从海里引入海水,或者把海水用泵打进盐田,天晴时阳光把海水中的水晒干,结晶出来的就是盐了。剩下的不容易析出的其他化学成分留在苦卤里。盐田里有浓度不同的池子,淡的是晒盐的池子,浓的是结晶的池子。下雨时降下来的淡水会冲淡盐卤,用塑料薄膜苫盖结晶池,浓盐晒盐卤就不会被冲淡了。盐结晶出来以后,用拖拉机牵引的刮板皮带收盐机把它集中到一起,用堆坨机把盐堆成坨,最后用装载机装上汽车或输送机运走。盐池底会渗水,铺上密实的土壤后压实可以防渗,也可以在盐池底上铺塑料布。有一种蓝藻,能生成生物垫层,利用这种生物垫层防渗,是一种较先进的办法。修筑盐田用通常的工程机械就行了。用“深储浅晒”的办法可以比较快地把浅池里的卤水晒浓,这种直观而又简单的办法可以提高制卤水的速度。盐并不都是用来制食盐的,如果把浓的卤水拿去直接制造化工产品,就可以节约很多时间和劳动。准确的气象预报能够指导盐业生产,报准下雨时间对盐业工人可是太重要了。晒盐需要占用很大面积的海岸带,在土地资源缺乏的地方和降雨多、日照短的地方都不适用,因而我国主要的盐田集中在河北、山东、辽宁、江苏和天津等省市。国外有些地方没有那么多的海岸带用来晒盐,于是用电渗析的方法制盐。海水制盐与海水淡化正好相反,前者需要的产品是盐,后者需要的产品是淡水。如果将海水制盐与海水淡化相结合,一面生产淡水,一面生产盐,一举两得,效益就更高了。
从盐田里扒出来的盐是粗盐,含有很多杂质,需要把它溶解在水中再结晶,才能加工制成供人们食用的精盐。在加工过程中还得加进碘,没有碘的食盐不准在市场出售。如果人缺了碘,甲状腺的工作就不正常了,会造成新陈代谢混乱,得粗脖子病和使幼儿发育不良的克汀病等疾病。碘受热容易挥发,所以炒菜时尽量后放盐,否则加进的碘就白费了。
储存卤水的盐田可以综合利用。卤水比较淡的盐田可以养虾,卤水比较浓的盐田可以养卤虫。卤虫又可以当虾的饲料。