海洋資源與水污染 市賽獲獎

海洋資源與水污染1.海洋──人類未來的財富海洋是人類可持續(xù)發(fā)展的重要基礎。浩瀚的海洋中，蘊藏著極其豐富的礦物資源、生物資源和藥物資源，其經(jīng)濟價值可觀，開發(fā)前景十分誘人。開發(fā)利用海洋是解決當前人類社會面臨的人口膨脹、資源短缺和環(huán)境惡化等一系列難題的重要途徑。在陸地資源日漸枯竭的今天，海洋正成為人類繁衍發(fā)展的生命線。（1）海洋石油和天然氣海底石油儲藏量約1350億噸，天然氣約140萬億米3，約占世界油氣總量的45%。目前，海上油氣開采量約占全球油氣開采量的30%。（2）海洋金屬礦藏海水中溶解有80多種化學元素，被譽為“液體礦山”。海水中可提取鎂、鉀、鈾、鍶等各類礦物達5億億噸。海底有大量錳結核，也稱多金屬結核。錳結核是20世紀70年代才大量發(fā)現(xiàn)的深海礦產(chǎn)。褐色的錳結核，外觀象土豆，切片來看，一層層的又象蔥頭。這種結核體往往是以貝殼、珊瑚、魚牙、魚骨為核心，把其他物質(zhì)聚集在周圍。生長速度很緩慢，大約1000年生長1毫米，有的100萬年才生長4毫米。錳結核含有錳、鐵、鎳、鈷等20多種元素。其經(jīng)濟價值很高，廣泛分布于水深4000～6000米的海底，總儲量估計約為3萬億噸?，F(xiàn)在一般利用采礦船來開采錳團塊。裝有深海電視的采礦機在海底收集錳團塊，通過軟管抽氣像吸塵器一樣，把錳團塊經(jīng)軟管連續(xù)地吸到水面上的采礦船中，每天采礦量可達3000噸。（3）海洋生物在生物資源方面，海洋中存活著20多萬種生物。專家測算，海洋的初級生產(chǎn)力每年為6000億噸，其中可供人類利用的魚類、貝類、蝦類、藻類等，每年為6億噸，而現(xiàn)在全世界的捕撈量僅為9000萬噸左右。海產(chǎn)品已成為人類生活中不可缺少的重要食品來源，目前海產(chǎn)品提供的蛋白質(zhì)約占人類食用蛋白質(zhì)的22%。在不破壞生態(tài)平衡的前提下，海洋每年可以產(chǎn)出的水產(chǎn)品足夠300億人食用，海洋向人類提供食物的能力等于全球所有耕地提供農(nóng)產(chǎn)品的1000倍。不僅如此，包括魚類在內(nèi)的海洋生物，已成為新型藥物和保健品的原料來源，引起國際醫(yī)藥界的日益關注。據(jù)估計，從海洋生物中可提制的藥品將達2萬種之多，世界各國為此展開了激烈的競爭。（4）海洋能源除石油、天然氣外，海洋蘊藏著巨大的動力能源。據(jù)估算，可供開發(fā)利用的總量在1500億千瓦以上，相當于目前全世界發(fā)電總量的十幾倍。其中，波浪能為700億千瓦，潮汐能為27億千瓦，海流能為1億千瓦，溫差能為500億千瓦，鹽度差能為300億千瓦。海洋能具有安全、無污染和可永久利用等優(yōu)點，具備良好的開發(fā)前景。另外，海水中含有200萬億噸重水，其中所含的氘是受控核聚變的寶貴原料。核聚變能是被廣泛看好的21世紀全球電力的一個重要來源。2.海水化學資源概況和海水利用海洋化學也稱化學海洋學，它是海洋科學的四大基礎學科之一。海洋化學研究海洋環(huán)境中化學物質(zhì)的分布、轉(zhuǎn)移、循環(huán)的規(guī)律及其在開發(fā)利用中的化學問題。海水的成分非常復雜，全球海洋的含鹽量就達5億億噸，還含有大量非常稀有的元素，是地球上最大的礦產(chǎn)資源庫。海洋資源的持續(xù)利用是人類生存發(fā)展的重要前提，目前，全世界每年從海洋中提取淡水20多億噸、食鹽5000萬噸、鎂及氧化鎂260多萬噸、溴20萬噸，總產(chǎn)值達6億多美元。水是生命之源，世界上缺水的地區(qū)越來越多，海水淡化已成為獲得淡水資源重要的途徑，所有這些都是海洋化學要研究的，海洋化學的研究和海洋開發(fā)正方興未艾，必將越來越多的造福人類。水荒目前已成為世界性的問題，是制約社會進步和經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸。據(jù)統(tǒng)計，全球用水總量每15年就翻一番，到2030年地球上將有1/3的人口面臨淡水資源危機。地球的表面雖然有71%被水覆蓋，但其中%是海水，還有15%是咸水，在余下的%的淡水中，又有69%是人類難以利用的兩極冰蓋。人類可利用的淡水只占全球水總量的%。有人比喻在地球這個大水缸里可用的淡水只有一湯匙。合理節(jié)約用水是可持續(xù)發(fā)展的重要課題，然而，節(jié)水并不能增加淡水的總量。大量地利用海水自然而然地就成為21世紀解決淡水缺乏的主要途徑。海水利用包括海水直接利用、海水淡化和海水綜合利用，以及海水農(nóng)業(yè)等。海水直接利用是用海水代替淡水作為工業(yè)用水和生活用水。到21世紀上半葉，隨著海洋生物污損防治技術的提高和耐腐蝕材料的進一步發(fā)展，沿海城市的絕大部分工業(yè)冷卻水都將采用海水。海水沖廁會得到大面積推廣。海水淡化是海水利用的重點，到了21世紀中葉，也許我們會看到這樣一個景象，每個島嶼或缺水的沿海城市都建有海水淡化工廠。這些工廠里大多采用蒸餾法和反滲透技術來制取淡水。到時候全世界使用的水資源中有1/5以上來自海洋。反滲透法是利用孔徑比納米還細小的半透膜濾去鹽分來制取淡水的。另外，還有人設想由于反滲透法制取淡水是在一定的壓力下實現(xiàn)的，假如把海水淡化裝置放在海底，就可以利用海水自身的壓力來獲取淡水，對海上城市或石油鉆井平臺非常實用。出海遠洋只要帶一臺海水淡化設備就可以滿足船上的淡水供應。采用蒸餾法制取淡水，主要是利用熱能來實現(xiàn)的，在有核電站和熱電廠的條件下采用這種技術可以充分利用電廠余熱大大減少能耗。3.海水淡化技術淡水危機甚至比糧食危機、石油危機還要來勢洶洶，解決淡水資源問題早已提到了人類的議事日程。在這種背景下，把海水、苦咸水等含高鹽量的水轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)、生活用水的海水淡化技術得到空前迅猛的發(fā)展。目前，淡化海水的方法已有十種之多，下面介紹的是其中最為主要的幾種。①蒸餾法

蒸餾法雖然是一種古老的方法，但由于技術不斷地改進與發(fā)展，該法至今仍占統(tǒng)治地位。蒸餾淡化過程的實質(zhì)就是水蒸氣的形成過程，其原理如同海水受熱蒸發(fā)形成云，云在一定條件下遇冷形成雨，而雨是不帶咸味的。根據(jù)設備可分為蒸餾法、蒸汽壓縮蒸餾法、多級閃急蒸餾法等。此外，以上方法的組合也日益受到重視。②電滲析法

亦稱換膜電滲析法該法的技術關鍵是新型離子交換膜的研制。離子交換膜是mm～mm厚度的功能性膜片，按其選擇透過性區(qū)分為正離子交換膜（陽膜）與負離子交換膜（陰膜）。電滲析法是將具有選擇透過性的陽膜與陰膜交替排列，組成多個相互獨立的隔室海水被淡化，而相鄰隔室海水濃縮，淡水與濃縮水得以分離。電滲析法不僅可以淡化海水，也可以作為水質(zhì)處理的手段，為污水再利用作出貢獻。此外，這種方法也越來越多地應用于化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)的濃縮、分離與提純。③反滲透法

通常又稱超過濾法，是1953年才開始采用的一種膜分離淡化法。該法是利用半透膜只允許溶劑透過、不允許溶質(zhì)透過的特點，將海水與淡水分隔開的。在通常情況下，淡水通過半透膜擴散到海水一側(cè)，從而使海水一側(cè)的液面逐漸升高，直至一定的高度才停止，這個過程為滲透。此時，海水一側(cè)高出的水柱靜壓稱為滲透壓。如果對海水一側(cè)施加一大于海水滲透壓的外壓，那么海水中的純水將反滲透到淡水中。反滲透法的最大優(yōu)點是節(jié)能。它的能耗僅為電滲析法的1/2，蒸餾法的1/40。因此，從1974年起，美、日等發(fā)達國家先后把發(fā)展重又轉(zhuǎn)向反滲透法。4.我國的海水淡化事業(yè)我國是世界上少數(shù)幾個掌握海水淡化先進技術的國家之一。自20世紀50年代以來，我國開始研究海水淡化技術，連續(xù)幾個五年計劃都將此項研究列入國家科技攻關項目，并將其列入《當前優(yōu)先發(fā)展的高技術產(chǎn)業(yè)化重點領域指南》。經(jīng)過40余年的發(fā)展，我國不但建立了海水淡化科研基地，培養(yǎng)和鍛煉了專門人才，而且在海水淡化領域取得了令人矚目的成績，奠定了我國在海水淡化領域的世界強國地位。目前我國在海水淡化技術上的成就大致有：國內(nèi)相關單位對多級閃蒸的設計和模擬進行了廣泛的研究，積累了多級閃蒸設備運行和管理的豐富經(jīng)驗；低溫壓汽蒸餾經(jīng)過了三代小型樣機的研制，積累了豐富的設計和加工運行經(jīng)驗。特別是經(jīng)過“九五”科技攻關，解決了壓縮機的設計和制造技術，開發(fā)的蒸汽壓縮機已經(jīng)達到國外同等容量產(chǎn)品的先進水平；成功地開發(fā)了蒸發(fā)管與管板的彈性密封連接裝置；開發(fā)了高效低阻力的液體分布裝置。我國的反滲透海水淡化技術進一步得到完善。目前已經(jīng)比較完整的掌握了海水淡化工程設計的相關參數(shù)，并開發(fā)了較為豐富的工程化技術，具備了相當?shù)漠a(chǎn)業(yè)化基礎。此外，在海水淡化上我國還擁有多項自主知識產(chǎn)權。經(jīng)過多年的技術攻關，攻克了膜法反滲透水處理技術、三元扭曲葉輪制造技術、高性能蒸汽壓縮機等海水淡化重要技術和設備，已經(jīng)擁有50多項技術專利?？梢赃@樣說，歷經(jīng)幾十年的研究探索，我國已培養(yǎng)和造就了一大批海水淡化專門人才，組建了一些專門科研機構。如以蒸餾淡化研究為主的國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所、天津大學以及以反滲透技術為主的國家海洋局杭州水處理技術研究開發(fā)中心等單位。這些單位完成的一批海水淡化工程推動了國內(nèi)海水淡化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。淡水資源匱乏是一個世界性的問題，我國也一樣，特別是沿海地區(qū)和海島，淡水的供需矛盾非常突出。我國的海水淡化事業(yè)的長足發(fā)展使我們深信：有海洋，我們就有水喝！水污染及防治水的污染有兩類。一類是自然因素造成的，如地下水流動把地層中某些礦物溶解，使某些地區(qū)水中鹽分、某些元素含量偏高或因動植物腐爛產(chǎn)生的毒物而影響了當?shù)氐乃|(zhì)等。另一類是人為因素造成的，主要是工業(yè)排放的廢水。此外，還包括生活污水、農(nóng)田排水、降雨淋洗大氣中的污染物以及堆積在大地上的垃圾經(jīng)降雨淋洗流入水體的污染物。水體污染物種類繁多，依據(jù)污染物質(zhì)所造成的環(huán)境問題，主要有以下類型：（1）酸、堿、鹽等無機物污染及危害水體中酸、堿、鹽等無機物的污染，主要來自冶金、化學纖維、造紙、印染、煉油、農(nóng)藥等工業(yè)廢水及酸雨。水體的pH小于或大于時，都會使水生生物受到不良影響，嚴重時造成魚蝦絕跡。水體含鹽量增高，影響工農(nóng)業(yè)及生活用水的水質(zhì)，用其灌溉農(nóng)田會使土地鹽堿化。（2）重金屬污染及危害污染水體的重金屬有汞、鎘、鉛、鉻、釩、鈷、鋇等。其中汞的毒性最大，鎘、鉛、鉻也有較大危害，砷由于毒性與重金屬相似，經(jīng)常與重金屬列在一起。重金屬在工廠、礦山生產(chǎn)過程中隨廢水排出，進入水體后不能被微生物降解，經(jīng)食物鏈的富集作用，能逐級在較高級生物體內(nèi)千百倍地增加含量，最終進入人體。例如，20世紀50年代發(fā)生在日本的水俁（音yǔ）病，就是因水俁市一家化工廠排出的廢水中含有甲基汞，廢水排入港灣，經(jīng)食物鏈富集到魚、貝體中，人吃了魚、貝而中毒。水俁病患者語言不清，走路不穩(wěn)，四肢麻木，嚴重的眼睛失明，吞咽困難，甚至死亡。（3）耗氧物質(zhì)污染及危害生活污水、食品加工和造紙等工業(yè)廢水，含有碳水化合物、蛋白質(zhì)、油脂、木質(zhì)素等有機物質(zhì)。這些物質(zhì)懸浮或溶解于污水中，經(jīng)微生物的生物化學作用而分解。在分解過程中要消耗氧氣，因而被稱為耗氧污染物。這類污染物造成水中溶解氧減少，影響魚類和其他水生生物的生長。水中溶解氧耗盡后，有機物將進行厭氧分解，產(chǎn)生H2S、NH3和一些有難聞氣味的有機物，使水質(zhì)進一步惡化。（4）植物營養(yǎng)物質(zhì)污染及危害生活污水和某些工業(yè)廢水中，經(jīng)常含有一定量的氮和磷等植物營養(yǎng)物質(zhì)；施用磷肥、氮肥的農(nóng)田水中，常含有磷和氮；含洗滌劑的污水中也有不少的磷。水體中過量的磷和氮，成為水中微生物和藻類的營養(yǎng)，使得藍綠藻和紅藻迅速生長，它們的繁殖、生長、腐敗，引起水中氧氣大量減少，導致魚蝦等水生生物死亡，使水質(zhì)惡化。這種由于水體中植物營養(yǎng)物質(zhì)過多蓄積而引起的污染，叫做水體的“富營養(yǎng)化”。這種現(xiàn)象在海灣出現(xiàn)叫做“赤潮”。我國南方的一些湖泊已經(jīng)出現(xiàn)了富營養(yǎng)化的趨勢。合成洗滌劑由表面活性劑、增凈劑等