生物技术在海洋化学资源开发上的展望.docx

生物技术在海洋化学资源开发上的展望（13 级化学工程与工艺张楚国）摘要随着陆地资源的日益枯竭，人类已经将眼光伸向了广袤无垠的海洋。相比较陆地人类对海洋的认识才刚刚起步，人类对陆地的认识从自身诞生之日就开始，但是对海洋的深入探究却仅仅只有短短几百年的历史。伴随着地球人口的快速增长，人类对资源的需求也快速增长，但是陆地所提供给我们的资源越来越有限。因此，为了人类可续发展，我们必须去合理开发海洋资源。而海洋化学资源开发则是海洋资源开发中最重要的组成部分，海洋化学资源的开发与利用主要体现在海水资源的利用上，而海水资源的开发有多种多样，但是无疑水资源和各种化学资源的开发以及盐类提取是其中最重要的三个部分。水资源的开发主要体现在海水淡化上，而化学资源开发则主要表现在各种元素的提取上，盐资源的利用则体现在对氯化钠的提取及相应产品的生产。而一个国家海洋化学资源的发展水平则体现在海洋化工的发展水平。面对我国由于人口日益增长而引起的日益严峻的水资源，能源等问题，因此我国应更加加大在海洋化工方面人才和政策，工厂等方面的建设。关键字：水资源，元素资源，盐资源，海洋化工,生物技术。AbstractAs land resource increasingly drying up, humans have look into the vast ocean.Compared with land human awareness of ocean just begun, human understanding of the land from their birth began, but only for Marine delve into only a few hundred years of history.With rapid growth of the population of the earth, human and rapid growth in demand for resources, but give us the land resources are limited.Therefore, in order to sustainable human development, we must go to the rational development of Marine resources.And Marine chemistry resources development is the most important part of the Marine resources development, development and utilization of resources of Marine chemistry mainly embodies in the use of water resources, there are various and the development of water resources, but there is no doubt that water resources and the development of various chemical resources and salt extraction is one of the most important three parts.The development of water resources mainly embodies in seawater desalination, and chemical resources development is mainly on the extraction of various elements, the use of salt resources is embodied in the extraction of sodium chloride and corresponding products.And a national Marine chemical resources development level is reflected in the development of the Marine chemical level.In the face of our country due to the growing population of increasingly serious water resources, energy and other issues, therefore our country should be more increase in Marine chemical industry personnel and policy, and the construction of factory, etc.Keywords：Salt water, elements of resources, resources, Marine chemical industry,biotechnology.引言海洋是化学资源的宝库，海洋约占地球表面积的71，约有137亿kin。的海水。海洋不仅提供了丰富的水资源，还蕴藏着丰富的化学资源。在地球上发现的109种化学元素中，海水中含有80余种。随着陆地资源的日益短缺，开发利用好海洋资源已成为当今世界高技术领域里的一大课题。近些年来，随着人们对海洋开发的重视及科技的发展，通过社会各界的努力，我国在海洋化工的生产开发方面取得了很大的进展。海水淡化及各种可溶无机盐化工等方面在逐步朝着成熟化、产业化的方向迈进，海洋宝库将成为我国可持续发展的重要战略资源，但在开发的同时也存在着一些亟待解决的困难和问题。1.简介海洋化学资源水资源，元素资源1.1：水资源地球上水的总储量为1386亿立方公里,其中海水占97.5，淡水只占2.7(乘一下好了)。淡水资源中冰山、冰川水占77.2。地下水和土壤中水占22.4，湖泊、沼泽水占0.35，河水占0.1，大气中水占0.04。水在自然界中呈循环状态。地球上循环的水量，每年大体为42万km3，其中降落陆地上的约为10万km3。而后通过江河流入海洋的水量约44.5万立方公里。人类目前比较容易利用的淡水资源，主要是河流水、淡水湖泊水以及浅层地下水。这些淡水储量只占全部淡水的03，占全球总水量的十万分之七，即全球真正有效利用的淡水资源每年约有9 000立方千米。因此海水是人类获取淡水最大源泉，故人类应该积极开发海水淡化技术为人类可持续发展作出坚实的贡献。1.2：元素资源海水中的化学元素，除氢和氧以外，含量在1毫克以上的有氯化物、硫酸盐、碳酸氢盐、溴化物、硼酸盐、氟化物、钠、镁、钙、钾和铀等。这些被称为海水中的常量元素。由于其含量比较高，而且它们的介质-海水体积非常庞大，总储量十分惊人，又被称为“无限资源”。它们的总含量占海水化学元素的99以上。含量在1毫克以下的还有60余种，称“微量元素”，有锂、铷、碘、钼、锌、铀、铅、钒、钡、铜、银和金等。微量元素中另有磷、氮、硅等几种，对海洋生物的生长具有重要意义，故被称为“营养盐类”。其中锂，镁，碘，铀，钾，钙等是元素资源的最重要的组成。1.3：盐资源海水是盐的“故乡”，海水中含有各种盐类，其中百分之90左右是氯化钠，也就是食盐。因此得到的氯化钠可用于食用，另一方面可以通过氯碱工业，即用电解饱和氯化钠溶液的方法来制取氢氧化钠，碳酸钠，碳酸氢钠，氢气，氯气，盐酸等一系列工业产品。.2海洋化学资源开发的现状2.1：海水淡化现状和方法2000年，全世界共有100吨级以上海水淡化厂已发展至1.1万家，以年增长率15%25%攀升，淡化产水量达2437万吨/天。成效额已达数百亿美元。淡水产量最高是沙特阿拉伯，占世界总产量的四分之一；美国产量位居第二位，占世界总产量的15.2%。我国海水淡化起步于1958年。40年来发展很快，取得了长足进步和显著的成绩，已逐步形成了一门综合性的技术学科和水处理技术产业。现在多地已经建成日产10万吨的海水淡化厂。现在海水淡化的方法有很多方法，下面介绍几种主流的方法：2.1.1：蒸馏法蒸馏法是通过加热海水使之沸腾汽化，再把蒸汽冷凝成淡水的方法。蒸馏法海水淡化技术是最早投人工业化应用的淡化技术，特点是即使在污染严重、高生物活性的海水环境中也适用，产水纯度高。与膜法海水淡化技术相比，蒸馏法具有可利用电厂和其他工厂的低品位热、对原料海水水质要求低、装置的生产能力大，是当前海水淡化的主流技术之一。2.1.2：反渗透法通常又称超过滤法，是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的。在通常情况下，淡水通过半透膜扩散到海水一侧，从而使海水一侧的液面逐渐升高，直至一定的高度才停止，这个过程为渗透。此时，海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压，那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。反渗透法的最大优点是节能。它的能耗仅为电渗析法的1/2，蒸馏法的1/40。因此，从1974年起，美日等发达国家先后把发展重心转向反渗透法。反渗透海水淡化技术发展很快，工程造价和运行成本持续降低，主要发展趋势为降低反渗透膜的操作压力，提高反渗透系统回收率，廉价高效预处理技术，增强系统抗污染能力等。2.1.3：太阳能法人类早期利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能进行蒸馏，所以早期的太阳能海水淡化装置一般都称为太阳能蒸馏器。蒸馏系统被动式太阳能蒸馏系统的例子就是盘式太阳能蒸馏器，人们对它的应用有了近150年的历史。由于它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。目前对盘式太阳能蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性能的改善以及将它与各类太阳能集热器配合使用上。与传统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保等优点，将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合是一种可持续发展的海水淡化技术。该方法由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。太阳能蒸馏法就是采用简单的太阳能蒸馏器。该蒸馏器由一个水槽组成，水槽内有一个黑色多孔的毡心浮洞，槽顶上盖有一块透明、边缘封闭的玻璃覆盖层。太阳光穿过透明的覆盖层投射到黑色绝热的槽底，转换为热能。因此，塑料芯中的水面温度总是高于透明覆盖层底的温度，水从毡芯蒸发，蒸汽扩散到覆盖层上冷却为液体，排入不透明的蒸馏槽中.2.1.4：电渗析法该法的技术关键是新型离子交换膜的研制。离子交换膜是0.5-1.0mm厚度的功能性膜片，按其选择透过性区分为正离子交换膜（阳膜）与负离子交换膜（阴膜）。电渗析法是将具有选择透过性的阳膜与阴膜交替排列，组成多个相互独立的隔室海水被淡化，而相邻隔室海水浓缩，淡水与浓缩水得以分离。电渗析法不仅可以淡化海水，也可以作为水质处理的手段，为污水再利用作出贡献。此外，这种方法也越来越多地应用于化工、医药、食品等行业的浓缩、分离与提纯。2.1.5：水电联产水电联产主要是指海水淡化水和电力联产联供。由于海水淡化成本在很大程度上取决于消耗电力和蒸汽的成本，水电联产可以利用电厂的蒸汽和电力为海水淡化装置提供动力，从而实现能源高效利用和降低海水淡化成本。国外大部分海水淡化厂都是和发电厂建在一起的，这是当前大型海水淡化工程的主要建设模式。2.2：海洋元素资源提取现状海水中存在着80种元素，其中不少元素可以提取，具有重要的利用价值。现在从海洋中提取钾，镁，碘，锂，铀得元素都有相关技术，但是很多关键技术还只能在于实验室中实现，而且提取的量也是有限的。就经济方面跟本不划算。所以在就海洋元素资源的开发仍处于基础阶段。海水中可以提取多中多样元素，下面介绍几种最重要的元素提取：2.2.1:海水提镁金属镁燃烧的时候可以产生很高的高温，可以用来点燃焊接钢轨时候用的铝热剂金属镁加在铝中可以制成铝镁合金，具有高强度，低密度的优点被用来造飞机的外壳等，因此其用途特别广泛。镁在海水中含量很高，仅次于氯和钠，位居第三。但是在陆地上高纯度的镁矿稀少，缺少镁矿的一些国家从海水中提取金属镁和各种镁盐。世界上镁年产量的百分之六十是从海水中提取的。从海水中提取镁的技术研究开发较早，现在已经进入了工业规模开发阶段。海水提镁的基本方法是向海水中加碱，使海水形成沉淀。通常是把海水引入沉淀槽，向其中加入石灰粉末使其与海水快速反应，经过沉淀，洗涤，过滤得到氢氧化镁沉淀块，在经过一段短少就可得到耐火材料氧化镁。在让其与盐酸反应形成氯化镁，在电解氯化镁得到家属镁。且现在海水提镁技术也得到，由于在沉淀中增加了离心机和在煅烧设备由原来的竖直发展成多层炉和回转炉从而使镁的质量得到了很大的改善。2.2.2:海水提钾钾在工农业和医药卫生方面都有广泛的用途。海水中钾的总含量超过500万亿吨，其含量远远超过钾矿中的的含量。我国是个贫钾国家，每年需要从国外进口大量的钾肥。我国海水提钾技术发展缓慢，而国外已经实现了产业化。因此发展海水提钾技术对于我国来说迫在眉睫。国外对海水提钾技术的研究和开发始于20世纪中期，英国首先利用海水提钾，并在死海进行大规模的海水提钾生产。自50年代以来，海水提钾相继经历了浮选法，60年代热滤沥发，80年代的冷滤沥法。但是由于海水中钾的浓度较小，三种方法都没有实现大规模生产。我国在海水提钾方面始于70年代，现在已经研究出了以硅铝为骨架的无机离子交换剂。并试运行年产了百万吨的硫酸钾中试，并准备进一步扩大规模。2.2.3:海水提溴溴是第一种从海水中发现并成功分离的元素，其是一种赤褐色液体，在医疗和药品生产上有非常重要的作用。工业上溴大量用于做抗爆剂，在橡胶材料生产和精炼石油中也有应用。在农业方面可以制作抗虫剂等。由于溴是以离子形式在海水中存在，所以在提溴时应先将海水酸化，在利用氯气或其他氧化剂氧化成溴。然后用其他方式将其从母液中分离出来。目前海水提溴方法有：空气吹出法，水蒸气蒸馏法，溶剂萃取法，沉淀法和吸附法等，其中工业上常采用空气吹出法。这种方法是利用氯气将溴离子氧化成溴，在利用空气或水蒸气将溴吹出来其整个工艺流程包括酸化，氧化，吹出，富集蒸馏等。这种方法设备简单，流程简单易于实现，并实现了机械化和自动化。2.2.4海水提铀铀通过核裂变可以释放出大量的能量，一千克铀通过裂变释放的能量相当于两千五百吨优质煤释放的能量。铀在陆地上的储量非常有限，虽然铀在海水中含量非常少，但是却在整个海洋中的含量是在陆地上的约4500倍。世界上最早研究和开发海水提铀的国家是英国，其在二战后就开始进行这方面的研究。先后提出了离子交换树脂及吸附法提取海水中铀的方案这些只是在实验室中进行的。目前各国已经研究出了：起泡分离法，吸附法。吸附法，使用水合氧化钛、碱式碳酸锌、方铅矿石和离子交换树脂等吸附剂吸附海水中微量的铀；起泡分离法，在海水中加入一定量的铀捕集剂，如氢氧化铁等，然后通气鼓泡，分离海水中的铀。2.2.5海水提锂锂早先的主要工业用途是以硬脂酸理的形式用作润滑剂的增稠剂，锂基润滑脂兼有高抗水性，耐高温和良好的低温性能。1kg锂燃烧后可释放42998kJ的热量，因此锂是用来作为火箭燃料的最佳金属之一。锂离子电池的广泛开发为人类各种电子用品提供质量较轻，但储存电量却很大理想电池。因而人们对锂的需求越来越大。海水提锂是从海水中提取元素锂的技术。元素锂与钠、镁共存，提取技术难度较大，许多国家从事海水提锂技术研究。日本、以色列等国创造海水提锂吸附法，所选用的吸附剂有氢氧化铝吸附剂、氢氧化铝活性炭复合吸附剂、氧化锰活性炭复合吸附剂及各种树脂吸附剂等，其中无定型氢氧化铝吸附剂的吸附能力较强，性能较优越。日本工业技术院四国工业技术试验所近些年来研制成功多孔质氧化锰吸附剂，吸附能力比常规锂吸附剂高510倍。这种新型吸附剂采取多微孔结构，能选择性吸附海水中的锂，经稀盐酸处理3小时，能解释95%以上被吸附的锂。2.3：盐资源的发展由于海水中大量的氯化钠，因此可以从海水中获得廉价的化工原料氯化钠。海水被拦截在一方方盐池里，太阳把盐水晒干了，海水里溶解的氯化钠结晶出来。从一吨海水里可以得到约三十公斤盐，这是粗盐。粗盐从海水里结晶出来的时候，难免夹带一些泥沙和杂质。海水里除了氯化钠以外，还有氯化镁、氯化钙等，它们也混在氯化钠里一块儿结晶出来。然后再工厂进行处理得到纯度较高氯化钠。工业上用电解饱和NaCl溶液的方法来制取NaOH、Cl2和H2，并以它们为原料生产一系列化工产品，称为氯碱工业。氯碱工业是最基本的化学工业之一，它的产品除应用于化学工业本身外，还广泛应用于轻工业、纺织工业、冶金工业、石油化学工业以及公用事业。从20世纪末开始，我国的氯碱工业在产量、质量、品种、生产技术等方面都得到很大发展。到1990年，烧碱产量达331万吨，仅次于美国和日本，位于世界第三位。1995年，烧碱产量达496万吨，其中用离子交换膜电解法生产的达56.2万吨，占总产量的11.3%。预计到2000年，烧碱年产量将达540万吨，其中用离子膜电解法生产的将达180万吨，占33.3%。3.未来生物技术在海洋化学资源开发利用的展望3.1，生物技术在海水淡化方面应用的想象随着现代生物技术的快速发展，水通道蛋白和钠钾泵等特定离子和分子通道蛋白的发现和研究，为海水淡化新方法提供了新的理论依据，下面将介绍未来生物技术在海水淡化方面应用的猜想未来人类对水通道蛋白，钠钾泵等离子通道蛋白和植物叶绿体的深入研究，来设计一种由水通道蛋白，钠钾泵等离子通道蛋白和叶绿体构成的具有生物活性海水淡化膜。由淡水中还的各物质的组成比例以及水通道蛋白和其他离子蛋白对各自物质的通过速率来设计各种蛋白在海水淡化膜上的占有比例。然后通过叶绿体利用太阳光合成的ATP为各种物质通过自己相应通道时所需要能量。此方法的优势有：（一）利用主动运输的方式解决了海水渗透压过大而引起的在传统的反渗透法对渗透膜要求有非常强的抗压能力而使膜材料研究困难巨大的问题。（二）其利用太阳能来实现海水淡化，使其相蒸馏法，电渗析法以及水电联产对能量的决浪费来说，其对能量的要求非常低，更加节能。（三）就是其相对传统的太阳能海水淡化来说该方法对能量利用率更高，且淡化水的速率更高。（四）其膜材料是由蛋白质和叶绿体构成，该方法所得的淡水质量更高。