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海洋资源化学

王朝百科·作者佚名  2009-11-01  
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海洋资源化学是研究从海洋水体、海洋生物体和海洋沉积层中开发利用化学资源中的化学问题的学科,是海洋化学的一个分支。当前的研究主要集中在两个方面:从海水中直接提取稀缺的元素、化合物和核能物质;从海洋生物体中提取具有生理活性的天然有机物。

人类从海水中获取食盐的工艺,可追溯到新石器时代。中国海水制盐历史悠久,从福建省出土的古物熬盐工具证明,早在仰韶文化时期,当地就已用海水煮盐;春秋时期,管仲为齐国的丞相时,专设盐官管理盐务;据天津府志记载,到了汉代,塘沽一带的制盐实况是“近海之区,预掘土沟,以待海潮浸入,注满晒之”。在《宁河乡土志》中,也有“用八尊风车,将潮水车入沟内,使之入池,曝晒即成盐”的记载。

利用太阳能对海水进行浅池蒸发制盐,是人类实现的第一个物理化学过程。海盐的生产,导致了近代氯碱化学工业的建立,诸如氯气、盐酸、烧碱、纯碱等基本化工原料,都是从海盐出发制备,而且达到了工业生产规模的。

从十九世纪中期到二十世纪20年代,出现了盐田卤水综合利用的化学流程和工艺,制得泻盐、芒硝、氯化钾、氯化镁、溴等多种产品。虽然盐田卤水的数量有限,分散而难于集中,不利于发展生产,但在这些经典工作中,比较系统地研究了盐类的溶解和结晶过程的平衡条件,指导了各种产品的分离。

1930年前后,海洋资源化学重点研究直接从海水中提取化学物质的问题,研究并发展了海水提溴的空气吹出法和海水提镁的化学沉淀法,分别建立了海水制溴和海水制镁的工业;1935年,进行过用二苦酰胺法从海水中提钾的实验;1952年后,海水淡化技术已得到广泛的应用。

从60年代以来,在资源化学的研究中引入了一些精密度较高的分析方法、富集和分离的新技术,这时,液-固分配理论和方法,也被引用到海水微量元素的开发研究中来。为了从海洋中寻求新的药物资源,海洋天然有机物资的开发研究,也较迅速地发展起来。

海洋水体是地球上最大的连续矿体,覆盖着地球表面的71%,总量约为14亿亿吨。其中,水的储量为13亿亿吨左右,约为地球上总水量的97%;溶解的盐类,平均浓度可达3.5%,也就是说,每一立方公里的海水中,含有约3500万吨无机盐类物质。

各种天然存在的元素,都已在海水中发现。经检测并初步确定其主要溶存形式的元素,已超出80种,它们在海水中的总量非常巨大,即使是某些痕量元素,如锂、铷、 碘、铀、钴等,在海水中的总藏量也都要分别以亿吨、百亿吨甚至千亿吨计算。

目前海盐的世界总年产量约5000万吨,主要仍沿用盐田法生产。中国沿海各省都产海盐,1978年产量达1540万吨,居世界首位。为了提高单位蒸发面积的蒸发效率,有的盐场采用了枝条型或垂网型立体蒸发工艺。近些年来,有的沿海国家因地理、气象等条件不适于盐田法制盐,研究发展了蒸馏法、电渗析法或冷冻法制盐。

由盐田卤水回收镁化合物、卤化物和其他盐类的化学工艺,经过近一个世纪的研究发展,已相当成熟,在盐田附近建立了许多小型盐化厂。然而,每年全世界海盐的总产量还不到两立方公里海水的含量,晒盐后剩余的卤水,仅为原纳潮海水体积的1/62,且分散在世界上数以千计的盐场。正是由于这种局限性,盐田卤水的综合利用,尚不能真正形成大规模的海洋化学工业。

镁是重要的金属结构材料,大量用于飞机制造业;高纯度的氧化镁晶粒,是炼钢炉用的优质耐高温材料,现主要来源于海水。海水中镁的浓度仅次于氯和钠,居第三位。海洋水体中镁的总藏量约一千八百亿吨。从海水中制镁时,先加碱使海水中的镁离子生成氢氧化镁沉淀,后经轻烧、成型、“死烧”,即成氧化镁;欲制取金属镁时,可将氢氧化镁加盐酸转变成氯化镁后进行电解冶炼。

在从海水中提取金属镁的研究中,主要解决了几个难度较高的问题,即无水氯化镁的工业制备,沉淀反应过程中的脱钙和除硼等问题。世界上镁的年产量近60万吨,大部分从海水制得。

溴是化学合成工业的重要原料,近几十年来,由于溴大量用于制备抗震添加剂和高效灭火剂,其需用量日益增加。

溴在海洋水体中的总藏量达95万亿吨,约占地球上总贮溴量的99%。从海水中直接提溴,先后发展了三溴苯胺法和空气吹出法。后一种方法迭经改进,主要是在浓集步骤中以二氧化硫代替碳酸钠,成为世界上从海水制溴的主要生产工艺。

海洋中最重要的资源,首先是水本身。近代人类活动的扩展,造成对可用水的需求量不断增长。海水淡化是20世纪50年代迅速兴起的一门应用科学,是海洋开发的重要部分,已经研究并发展起来的海水淡化方法,按其主要特点,可分为蒸发法、膜分离法和冷冻法三种类型。

海水中铀的浓度虽低,但它在海洋水体中的总藏量约45亿吨,较陆地储量多两千倍左右,是巨大的潜在核能资源。近20多年来,试用过水合氧化钛、碱式碳酸锌、硫化铅、粘土、泥炭、氟石、有机树脂等铀吸着剂和某些藻类即生物浓集剂。其中,以水合氧化钛吸着剂为基础的研究进展较快,每克钛吸着剂平均可富集500~600微克铀,接近陆地上某些贫矿的含铀品位。

在海水提铀工作中,较重要的突破是应用了某些特异结构的树脂和纤维物质,作为海水提铀的吸着剂;其捕铀量甚至可达到陆地上某些富铀矿的品位。有的国家已着手建立略具规模的海水提铀实验工厂。

海水中钾的总藏量达500万吨左右。早期比较著名的海水提钾方法是二苦酰胺沉淀法。此法曾用于中间规模试产,但有一定缺点。1960年以来,各国多重视吸着法的研究,试用过天然及人工氟石、海绿石、蛭石、蒙脱石、磷酸氢镁、磷酸氢锆、磷酸氢钛和有机高分子吸着剂等。

碘是应用已久的药用元素和化工原料,又是近代用于人工降雨和火箭添加剂中不可缺少的物质。

海水中碘的总藏量约800亿吨,但由于其浓度仅为痕量,因此,由海水直接提碘的研究,进展缓慢。

人类利用海洋生物作为食品来源,已有悠久的历史。但在以往,除了海藻多糖、氨基多糖、甘露醇等含量较丰富的化学成分曾被研究和利用外,对于海洋生物体中的微量物质却很少研究。二十世纪60年代以来,由于分析、分离技术和结构测定手段的不断进步,使海洋天然有机物的化学研究,得到了迅速的发展。

海洋生物圈产生着许多对人类有用的天然有机生理活性物质。例如来自来自海绵类的阿糖核苷,对白血病有肯定的疗效;从海产沙蚕分离出来的“沙蚕毒素”,是一种无残毒的海洋农药;海带类褐藻中存在的海带氨酸,有降低血压的良好药效;海人草所含的海人草酸有高效的驱蛔虫疗效等等。

1972年前后,相继在柳珊瑚属中发现了含量颇高的前列腺素,它们不仅在医药方面有应用价值,而且对生命的研究也有一定的理论意义。此外,国内外还相继研究了海洋生物中一些结构特异的甾体、杂环和萜类物质,它们都有一定生理活性。

海底石油和天然气是沿海各国极为重视的海底有机热能资源。此外,存在于深海底部的锰结核是镍、锰、钴的重要资源,各国已注意对它们的采集和分离。

海水中含有约200万亿吨重水,其中所含的氘,是一种有前途的热核能资源。总之,充分开发利用海洋化学能源,是海洋科学的一项重大的研究课题。

 
 
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