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如何让海水变成淡水?3种常用的方法

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我们知道,海水是不能直接饮用的。如此丰富的水资源却不能直接被人类所利用,主要是因为海水中的盐分高达33%~38%,根本无法使用。人类要想解决淡水紧缺的难题,淡化海水不失为一条良策。于是,科学家们迈开了探索的步伐并找到了一些行之有效的途径。

目前,人们已研究出了多种海水淡化方法,但比较常用的实现海水脱盐的方法主要有3种:蒸馏法、冷冻法和反渗透法。

海水变淡水的方法

最古老的海水淡化方法是蒸馏法,工艺较成熟,比较适用于处理海水。

这是一个大家都见过的方法,原理特别简单。当海水被烧开时会冒出热气腾腾的水蒸气,水蒸气没有什么杂质,遇冷会变成水,这一现象启发了人们。海水蒸馏成淡水的方法,也就是首先把海水加热到100℃,使海水冒出热气腾腾的水蒸气。水蒸气里不含盐分,然后让那些水蒸气通过特别的管子跑到专门预备的冷凝装置里。水蒸气到了那里变成了一滴滴的小水珠,这些小水珠聚集在一起就成了淡水。
海水变淡水的方法

蒸馏法尽管简单,但它耗时,而且得到的淡水十分有限,所消耗的能源也特别多。

为了减少能源的消耗,人们便创造了水电联产这种把发电与海水淡化结合为一体的、更为先进的办法。这种方法是把大中型海水淡化厂与火力发电厂相结合,利用电厂余热的低压蒸汽作为淡化装置的主要能源。这样,电厂高压、低压的蒸汽能量都得到了充分利用,大大提高了整个工作系统的热效率,大幅度降低了发电与淡化两个系统的设备造价和基本建设费用。因此,海水淡化的成本大为降低。

那冷冻法是怎样的呢?我们知道,在日常生活中,含盐的液体是不结冰的,只有淡水才结冰。海水虽然是咸的,但它依然会结冰,人们对此疑惑不解。后来,人们尝试着把海水冰冻,发现海水不但会结冰,而且结出的冰一点也不咸。原来当海水不完全凝结时,它就分成几乎不含盐的冰和浓缩的盐水。于是人们把冰从盐水中分离出来。

就这样冷冻法便诞生了。冷冻法比较简单,只要使海水温度处在冰点以下,海水中就会结出冰块,然后把冰块取出来融化,就成了淡水。

把海水变淡的另一个主要方法是反渗透法。反渗透法是用一个特殊结构的膜来过滤海水。这种膜和平常有孔的过滤器不同,它是没有孔的。对咸水施加足够的压力,盐分等水合离子留了下来,而水却能穿过膜,变成人们生活所需要的淡水。

上述是将海水中的淡水分离出来的3种方法,除了这些方法外,还可以采取离子迁移法和化学法除去海水中的盐。食盐以及大多数其他的盐类的结构是由带相反电荷的离子组成的。水合物是这样形成的:当盐溶于水时,这些离子就与水松散地结合在一起。因此,当晶体结构分解时,能独立移动的离子就产生了。由于这两种离子所带的电荷相反,当它们处于两个带相反电荷的电极中间时,它们的运动方向是相反的。用这种方法使海水脱盐,就是离子迁移法。而化学法则包括离子交换法和沉淀法。

既然有这么多的方法可以用来淡化海水,我们就没必要再为淡水的缺乏而发愁了吧?事实上,以上几种方法虽然可以实现海水的淡化,但是它们都有一个致命的弱点:成本高昂。据估计,用任何方法淡化海水,都需要11.6度电才能生产1000加仑的淡水。为什么耗电如此大呢?我们都知道水是液体,而液态水分子具有紊乱的分支结构。如果通过离子转换进行淡化,液态水分子的分枝特性仍然是一个障碍。将水合离子推过由分子紧密结合形成的“乱网”一样的液体,就需要能克服阻力的额外的能量。因此,无论采用哪一种淡化方法,淡化成本的控制都是目前最大的难题。

但科学家们为了人类的共同命运,仍在坚持不懈地进行着探索。大家都知道,水的汽化需要消耗热,水蒸气冷凝成液态水则要释放热能。在蒸馏中,这两个过程是同时进行的。这个假设引起了人们的兴趣:如果在同一温度上进行两个过程,热量的释放与消耗正好相等。这样,除了偶然的热量丧失之外,在用蒸馏法进行淡化时,就不需要热能了。这一设想从理论上看起来虽然简单,但实际操作中却没有那么简单方便,因为咸水的蒸汽压略低于淡水。从蒸馏器中释放出来的咸水的蒸汽,在蒸馏器的温度下无法冷凝成液态淡水,除非采用增大其压力和密度的办法将其稍微压缩。如果进行了压缩,在蒸馏的汽化过程中消耗的热量,将在冷凝整齐时在冷凝器中全部释放出来。如果能找到回收所有这种热量的方法,就可将热量再用来蒸发新的咸水。用这种方法回收热量所消耗的唯一能量,是用来压缩咸水产生的蒸汽,直到其压力与蒸馏器温度下淡水的压力相同为止。

科学家在热带和亚热带进行了利用太阳能蒸发盐水的大量实验。太阳能的优点是不需成本,缺点是其能量较弱。随着覆盖在液体上的水蒸气密度不断增大,还没有到达水面,太阳光就被遮掉了。此外,利用太阳能蒸发的最大弱点还在于不能回收蒸发水的过程中消耗的热量。目前,用电热补充太阳能的尝试也不太成功。

为了克服这一缺点,科学家们又研制出新的淡化方式,这种方法是多效蒸发。在多效蒸发过程中,消耗的热能大部分能从冷凝器中回收,而且可以反复使用好几次。因此产生的蒸馏水量至少为原来的2.5倍,而在蒸汽压缩蒸馏中,则可能为原来的10倍。

此后,又出现了一些更能节约热量的海水淡化法,如真空急骤蒸馏法。这种方法主要是使用低压废蒸汽——蒸汽发生过程中的副产品或工业中产生的蒸汽和电能的副产品进行海水淡化。这种方法,由于预热、热输入和急骤蒸馏的循环被打破,形成许多连续的回路,盐水在回路之间反复循环,因此,和其他方法相比较,蒸发过程需要在温度更高的环境中完成。在回路之间,一部分盐水通过前效应反复循环。和其他方法相比较,这种方法利用热的效率高,因为温度越高,产生的蒸汽越多。现在人们仍对这种方法进行研究,还可能有进一步的突破。

随着研究的加深,向海洋索取淡水已取得了惊人的发展。目前,从事海水淡化工作的国家越来越多,据统计,已有40多个国家开始了研究和生产。他们采用的淡化方法各不相同。不过,淡化海水的基本原理不外乎上面所提到的。全世界的海水淡化工厂大约有7500多个。在沙特阿拉伯的尤拜尔,有一个淡化厂每天可提供4.85亿升淡水,目前是世界上最大的海水淡化厂。在我国南部海疆西沙群岛的永兴岛上的军民也是靠海水淡化来获取大部分的生活用水。有关数据显示,世界上淡化水的日产量已达到2300万吨,并以10%~30%的年增长率攀升。世界海水淡化市场年成交额已达10亿美元。

虽然海水淡化已取得了一定的成效,但前景却不容乐观。世界上还有许多国家在这方面的研究尚处于起步阶段。因此,目前的海水淡化技术还需要世界各国共同努力去进一步完善,从而解决人类的淡水问题。

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