海洋资源化学

来自中文百科专业版
跳转至: 导航搜索

  海洋资源化学汉语拼音:Haiyang Ziyuan Huaxue;英语:Marine Resource Chemistry),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的学科海洋化学的分支。当前的研究主要集中在两个方面:①从海水中直接提取稀缺的元素、化合物和核能物质;②从海洋生物体中提取具有生理活性的天然有机物。

简史

  人类从海水中获取盐类的工艺,可追溯到新石器时代中国海水制盐历史悠久,从福建出土的古物熬盐工具证明,早在仰韶时期,当地已用海水煮盐;春秋时期管仲齐国宰相时,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,将潮水车入沟中,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。这个方法的特点是赶走大量的水,而留下海盐。海盐的生产,导致了近代氯碱工业的建立,诸如氯气、盐酸、烧碱、纯碱等基本化工原料,都是先从海盐出发制备且达到了工业生产规模的。

  从19世纪中期到20世纪30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,重点研究直接从海水中提取化学品的问题,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20世纪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。不久,液–固交换–吸附理论和方法,也被引用到海水微量元素的开发研究中来。这个方法的特点,是从海水中把海盐或微量元素“抓(即交换–吸附)”出来。与传统海盐工业相比,是一重大改革。

海洋无机资源的利用

  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1.413×109亿吨。其中,水的储量为1.318×109亿吨左右,约为地球上总水量的97%;溶解的盐类,平均浓度可达35,000ppm(百万分之一),也就是说,每1立方千米的海水中,含有约3,500万吨无机盐类物质。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(0.17ppm)、铷(0.12ppm)、碘(0.06ppm)、铀(0.003ppm)、钴(0.000,1ppm)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。

海水制盐及卤水综合利用

  20世纪80年代海盐的世界总年产量约5,000万吨,主要仍沿用盐田法生产。中国海盐生产产量一直居世界首位,1990年产量达1,000多万吨,承担着6亿人口的食用盐和80%的工业用盐任务。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网型立体蒸发工艺。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2立方千米海水中盐的含量,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。

海水制镁

  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1,800亿吨。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,后者经轻烧、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,从海水中制取氧化镁的生产能力已达到每年247万吨左右。

海水制溴

  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、高效灭火剂和一系列溴精细化工产品,其需用量日益增加。溴在海洋水体中的总藏量达95万亿吨,约占地球上总储溴量的99%。从海水中直接提溴,先后发展了3–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。溴的世界年产量约20万吨。

海水淡化

  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,可分为多级闪急蒸馏等的蒸发法、反渗透和电渗析等的膜分离和冷冻法3种类型。

海水提铀

  海洋水体中铀的总藏量约为40亿吨,较陆地储量多2,000倍左右,是巨大的潜在核能资源。但由于海水中铀的含量太低,首先要用富集技术,然后从富集液中提取铀化合物。富集技术曾用过水合氧化钛、碱式碳酸锌、硫化铅、黏土、泥炭、氟石、树脂等铀吸附剂和某些藻类即生物浓集剂。其中,以水合氧化钛吸附剂效果最好,每克钛吸附剂平均可富集500~600微克铀,接近陆地上某些贫矿的含铀品位。此外,还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附剂;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,但由于成本高,还难以实现工业化生产。

海水提钾

  海水中钾的总藏量达500万亿吨左右。钾是重要化肥,世界绝大多数国家钾矿贫乏,因此海水提钾引起普遍关注。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,各国多重视吸附法的研究,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附剂等。

海水提碘

    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水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(0.06ppm),因此,由海水直接提碘的研究,进展缓慢。1977年前后,中国学者试用过一种无机银盐型吸附剂,可同时富集海水中的碘和溴。

  其他元素提取还有用“液–固交换–吸附”的富集方法提取海水中的金和锂的探索性工作。

  单项提取微量元素的费用比较高。有的国家结合海水淡化,研究从浓盐水综合提取多种化学元素,以期充分利用物质和能量,达到降低成本的目的。

海洋有机资源的利用

  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。20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。例如来自河豚类的“河豚毒素”,是可用于癌症后期疼痛时的缓解药;来自海绵类的阿糖核苷,对白血病有疗效,其人工合成的高活性类构物质阿糖胞苷,现已投产并临床应用;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。从海藻取得的褐藻酸钠,已广泛的用于食品工业、纺织工业和造纸工业,且具有抑制人的胃肠道吸收放射性锶的特殊功效。

  1972年前后,相继在柳珊瑚属中发现了含量颇高的前列腺素15(R)–PGA2、15(S)–PGE2和15(S)–PGA2等,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(见甾族化合物)、杂环和萜类物质,它们都有一定生理活性(见海洋药物)。

其他资源

  海底石油天然气是沿海各国极为重视的海底有机热能资源。已经证实,中国沿海有比较丰富的海底石油、天然气和天然气水合物,并已开发生产或进行研究。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。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。