海洋资源化学.ppt

1、滕 菲,海洋资源化学,海洋资源化学的定义,由于海洋资源化学是一门新兴学科，故对其定义还没有一个完整的、统一的表述，但其基本含义相近。海洋资源化学是运用化学、物理和生物的基本原理研究水圈、生物圈和沉积圈中作为资源元素开发利用中的有关问题，即化学资源的分布、分离、富集或浓缩、提取方法和技术以及与之有关在开发利用中的物理化学性质等问题。 海洋资源化学从广义上说，包括海洋中所有化学资源的提取和开发利用，这是一门应用性较强的基础性学海洋资源化学研究的目的是化学资源的开发利用。,海洋化学资源的提取和开发利用的历史,海洋化学资源的提取和开发利用是海洋资源化学形成和发展的基础，它起始于海水制盐。 从19世纪末

2、到20世纪30年代中期，海水提溴和海水提镁相继实现工业化。 二次世界大战后，英国首先开始了海水提铀的研究。 从70年代到80年代中期掀起了海水提铀的热潮，日本于年还建成了年产10kg级规模的提铀试验厂。海水提钾、提碘也进行了一定的研究。 日本从20世纪80年代以来，集中力量进行了海水提锂的研究。 从总体上说，从海水中提取无机物，除溴和镁已实现工业化外，其他均处在研究阶段。,海洋生物化学资源的研究与开发，国外于18世纪末就已开始，我国虽于20世纪50年代开始研究与开发，但发展速度较快，特别是在海藻工业上，已成为世界上生产褐藻酸钠的主要国家，而海带制碘和甘露醇也得到了较快的发展。 海洋药物的研究，

3、国外从20世纪50年代以来，做了大量工作，重点在抗癌和心血管系统的药物研究。近年来， 我国海洋药物的研究与开发得到了重视已取得准字号的有青岛海洋大学开发的藻酸双脂钠，中国科学院海洋研究所的烟酸甘露醇酯等。目前在海洋生物中褐藻多糖硫酸醋和不饱和脂肪酸方面的研究，也取得了较大的进展。,海洋资源化学的研究方向,4,海水资源,1,2,3,5,海盐资源,海洋生物化学资源,海洋矿物化学资源,6,地下浓缩海水中的化学资源,白泥综合利用,一、海水资源的利用,全世界海洋面积达3亿6000万平方公里，覆盖地球表面约70.8%。海水流动性高，连接太平洋、印度洋及大西洋的海水成分大致相同。海洋传输动力主要有两种方式，

4、一种是由海水温度及盐度不同造成密度差异，使海水上下移动的温盐流另一种是由地球风力带引的表面洋流。由于海洋的循环流通，世界上临海国家都有平等机会去发展利用海洋资源。,（一）海水直接利用,海水直接利用就是指海水代替淡水做工业、农业商业和城市生活用水，环节沿海地区淡水资源短缺的矛盾。,冷却 水淬 洗涤 净化 除尘,工业,农业,城市,商业,游泳 浴池,海水养殖 海水灌溉,冲厕 洗刷 消防,工业用水,工业用水主要是冷却用水，在沿海工业城市中工业用水占城市总用水量的80%。因此，用海水代替淡水做工业冷却用水可以节省城市用水淡水用量的一半用水。国外的大型冶金、化工、火电和核电站等需要消耗大量冷却水的工程项目

5、，大都尽可能建在海边，直接利用海水作为冷却水。我国沿海城市早在20世纪30年代就开始用海水做冷却用水，但发展规模小，发展速度慢，至今海水年用量只有60108，远远落后于发达国家的利用水平。,海水富含硝酸盐、磷酸盐、矽酸盐等营养物质，且水质纯净，不含作物常见的病菌，有利用植物的生长。,用海水直接灌溉省去了兴修水利之苦。,地球上荒废的大量盐碱地和滨海湿地可得到使用，给发展农业和粮食生产提供新的土地资源。,农业用水,海洋深层水,海洋学上一般将海水分为三层：“海洋表层水”为水深200米以上的海水；“海洋中层水”为水深200米-700米之间的海水；“海洋深层水”为水深900米以下的海水。全世界海洋的平均

6、水深为3800米，从海洋学理论广义上讲，地球上的海水有75为海洋深层的海水。 现在，世界上开发和利用海洋深层水的国家只有挪威、日本和美国。这些国家都分别有自己的地理优势和特点。尤其是夏威夷地处太平洋中部，正好处在海洋大循环的循环带上。因此，夏威夷具备了采集海洋深层水的两大条件。,低温安定性,成分丰富且稳定性,易被人体吸收,不受阳光照射，终年温度不变，恒定于810左右。水流速度缓慢属于深层温盐流。,海洋深层水在深海强大的水压作用下，水分子团明显小于陆地上的水分子团，且所含营养成分也在深海水压的作用下活性的游离离子形式存在。,海洋深层水中含有90余种无机盐以及矿物质，由于这些水以漫长的时光流动于“

7、无光层”的海洋深层，因此所含无机盐及矿物质的成分十分稳定，是100的氧还原水。,海洋深层水的特点,无菌清洁性,处于海洋“无光层”的深层水，除远离人类现代文明的影响以及不受陆地、大气化学物质、病菌的污染外，本身也无生成病原菌等细菌的条件。,（二）海水淡化利用,所谓海水淡化就是除去海水中的盐分以获得淡水的工艺工程，也称海水脱盐。,二、海盐资源的利用,（一）海水盐资源,人类早期对于海水化学资源的利用，主要以生产食盐为主，制造方法是使用最自然的日晒法，其原理简单且操作方便。现今食盐大多使用电透析法获得。从化学角度而言，食盐经分解可得到“氯”与“钠”两种元素，这两元素分别是“酸”工业与“碱”工业的主要原

8、料。两种元素至今共计有多种用途，包含食用、化工、纺织、造纸、染料、冶金、陶瓷、肥皂、玻璃、医药等，因此食盐有“化学工业之母”之称。,（二）海水溴资源,地球上99%的溴都蕴藏在海水中，因此溴有“海洋元素”的美称。溴在海水中的浓度是65mg/L。法国人巴拉尔从实验后的残留海水中第一次提取到溴。溴是重要的化工原料，广泛用在阻燃剂、灭火剂、制冷剂、农药、化学肥料等方面。溴也是一种药品的原料，可以生产许多消毒药品，例如大家熟悉的红药水就是溴与汞的有机化合物。此外，溴化钾、溴化钠及溴化铁可配制成三溴合剂，能治疗神经衰弱和歇斯底里症。,（三）海水碘资源,碘是食物中缺少的但人体必需的微量元素，也是工业、农业和

9、医药保健业重要的原料物资，同时碘还是火箭燃料和高效农药制造、放射性探测和人工降水领域不可缺少的元素。在所有天然存在的卤族元素中，碘最稀缺，属恒量元素。 碘在海水中的含量达820 108 t，但海水中碘的平均含量仅为0. 05 mg/kg,海水提碘不易，因此发展海水提碘技术成为世界各国科技人员的攻关课题。目前,我国利用海带和马尾藻作原料制碘,年产量超过100 t，这属于间接利用海水碘资源。近30年来，从石油井水和天然气井水等天然高碘水中提碘的研究进展较快，美国、俄罗斯、日本等国相继研究发展了“银法”、“吹出法”等直接从油田井水中回收碘的生产方法。,（四）海水锂资源,锂被誉为“能源金属”，是制造氢

10、弹、大容量电池的重要原料。锂铝合金在航空航天工业中有重要地位。另外，锂在化工、玻璃、电子、陶瓷等领域的应用也较广泛。海水中含锂1520 mg/L，总储量约2 500 108 t，因而可从海水中提取锂。美国每年从海水中提取锂约1. 4 104t，我国目前用卤水生产锂的产量占总产量的30%40%。,（五）海水中的钾盐,钾是植物生长发育必需的元素，对于农作物而言，增施钾肥能增强其抗旱、抗寒、抗倒伏等能力。钾在工业方面可用于制造硬度高、不易受化学药品腐蚀的钾玻璃，药用洗涤剂和消毒剂，汽车和飞机的清洁剂、明矾等。 钾在海水中的平均含量约380 mg/kg，总储量约500 1012 t。世界上钾盐主要来源

11、于古海洋遗留下的可溶性钾矿，即钾石盐、光卤石、无水钾镁钡、三水钾镁钡、软钾镁钡等，我国钾资源不足，多年来主要依靠盐田卤水生产少量钾盐和部分进口钾肥。海水提钾的方法有蒸发结晶法、化学沉淀法、溶剂萃取法、离子交换法4种。,（六）海水中的镁盐,镁在海水中的平均浓度为1290 mg/kg，总含量约1800 1012 t。目前世界镁的年产量约30 104 t，其中60%来源于海水提镁。美国、英国、日本等缺少白云石、菱镁矿等陆地镁矿的国家几乎全部依靠海水提镁。 镁盐是良好的耐火材料，可用于航天及建筑业，近年来还用在生产新型无机阻燃剂、热塑性树脂和橡胶制品的加工上。对植物来说，镁还是组成叶绿素的主要元素，可

12、以促进对磷肥的吸收。镁在工业方面具有重要的应用价值，镁铝合金质轻性坚，是航空、汽车制造业的重要原料,镁粉可用于生产镁光灯、照明弹，氧化镁是可耐2 000 以上高温的碱性耐火材料,镁在农业方面用于制造镁肥。,海水核能资源,铀是一种天然的放射性元素，也是高能量的核燃料，1 kg铀可供利用的能量相当于2250 t优质煤。海水中铀的储量约50 108 t，相当于陆地总储量的4500倍。海水中铀的含量仅为0. 003 mg/kg，海水提铀的方法有吸附法、溶剂萃取法、起泡分离法、生物富集法4种。铀是核能发电的燃料，1公斤的铀相当于2250吨优质煤的能量。除了民生供电用途外, 铀也是核弹武器最主要的成分，原

13、子弹就是利用铀核分裂时释出的能量达到破坏的目的。海水中的铀总含量多达45亿吨，是陆地铀矿储量的4500倍。目前最有效的海水提铀方法是利用氢氧化钦吸附铀, 国际上已有10公斤级的海水提铀工厂。,重水资源。构成水分子的氢原子如果是氢的同位素氘(2H或D)或氚(3H或T) ，这样的水就是重水。重水发生核聚变可以释放出巨大的能量，是核反应堆的减速剂和传热介质，也是制造氢弹的原料。海水中重水的总储量2500 1012 t。现在较大规模地生产重水的方法有蒸馏法、电解法、化学交换法和吸附法等。 目前全世界还没有核融合的发电厂，一旦受控热核聚变技术和从海水中大规模提取重水的技术能够实现，建成以氖为原料的热核电

14、厂。海洋就能够为人类提供取之不尽用之不竭的新能源。人类持续发展所遇到的能源问题，或许就一劳永逸。,三、海洋生物化学资源的利用,地球物种的80 %生活在海洋中，其中除了人类熟知的鱼、虾、贝类等生物外，仅较低等的海洋生物物种(海绵、珊瑚、软体动物等) 就有20 多万种。 海洋生物含有大量的生理活性物质，有许多对人类的疾病有显著的疗效，已经开发和正在开发的海洋药物必将给人类带来福音。 我国有药用海洋生物700多种，贮量丰富。已开发和研制了许多经济价值和药理价值很高的海洋药物，从海绵中提取的角鲨烯、从刺参中提取的粘多糖、从贝类体中提取的蛤素等都有较高的抗癌活性。从珊瑚体中提取的强心剂以及从褐藻中提取的

15、藻酸双脂钠都有降脂降血压的疗效。,实际观察和解剖表明：鲨鱼很少有患癌症的，即使是将癌细胞活体用人工接种的方法直接移植到某些鲨鱼身上，结果也是劳而无功、白费心计。这是因为，鲨鱼身上能够分泌出一种抑制癌细胞的化学物质。这样，就从另一方面诱发人们去尝试着从它们身上提取抗癌物质。现在，人们已能从鲨鱼软骨内提取出一种具有抗动脉粥样硬化和抗血管内斑块功效的“硫酸软骨素”。这种物质能降低心肌耗氧量，降低血脂及改善动脉供血不足，对治疗心脏病有一定效果。,对海洋微生物生物次级代谢产物的研究,初级代谢产物是指微生物通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质，如氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等。通过初级代

16、谢，能使营养物转化为结构物质、具生理活性物质或为生长提供能量，因此初级代谢产物，通常都是机体生存必不可少的物质，只要在这些物质的合成过程的某个环节上发生障碍，轻则引起生长停止，重则导致机体发生突变或死亡，是一种基本代谢类型。 次级代谢产物是指微生物生长到一定阶段才产生的化学结构十分复杂、对该生物无明显生理功能，或并非是微生物生长和繁殖所必需的物质，如抗生素、毒素、激素、色素等。不同种类的微生物所产生的次级代谢产物不相同，他们可能积累在细胞内，也可能排到外环境中。,海洋是新型的生物活性物质的源泉。在过去10年中，有近5000种新的海洋天然产物被发现，大多都分离自海洋微生物，其中许多是在陆栖微生物

17、中未曾见过的。迄今为止，世界已发现的微生物约有150多万种，其中72000种存在于陆地，其余都存在于海洋之中，而对海洋微生物只研究了1500种，仍有大量的海洋真菌和细菌有待深入开发。,海洋是地球上早期生命的诞生地，环境十分独特，包罗了高压、低营养、低温、无光照，以及局部高温、高盐等等所谓生命极限的环境，使得海洋生物物种间的生存竞争非常激烈。为能在严酷的环境下进化生存，迫使很多海洋生物在生命过程中代谢产生一些结构特殊、生物活性显著的化学物质即次生代谢产物。这些化学物质的主要功能是防范潜在天敌的进攻,避免海洋微生物及浮游杂物的附着,以及物种之间的信息传递。现代药理研究表明, 很多海洋次生代谢产物对

18、人类多种疾病有着很好的疗效,化学、生态学、生物活性等多方面进行深入研究, 目的是为了从海洋生物资源中寻找能有效预防、治疗严重威胁人类生命健康的创新药物。,毒素,很多海洋生物的肽类毒素，是神经毒素、心血管毒素和细胞毒素等多种功能毒素的混合物，这些混合毒素共同作用，对动物来说往往都是致命的。但是，每种毒素只要严格的控制剂量，则分别具有很好的麻醉、升压、降压、强心、降脂、选择性杀灭癌细胞、抗菌、抗病毒等作用。正因为海洋生物多肽毒素具有了明确的作用机理, 也成为非常有潜力的临床用药物或药物分子设计的前导物。比较有代表性的海洋多肽类毒素包括海葵毒素、芋螺毒素、海蛇毒素、水母毒素、刺毒鱼类毒素等。,四、海

19、洋矿物化学资源,锰结核是一种含有锰、镍、钻、铜等多种元素的团块状水底矿石，多存在于3000-5000米的深海底部, 仅太平洋海底就有1700亿吨，由于锰结核是一种再生沉积矿物，因而具有取之不尽的优点，太平洋每年新生长的锰结核就有1000万吨。,盐酸浸出法是目前研究最广泛的一种方法。根据试验， 高温盐酸浸出金属回收率较高，但此法对设备的要求比较严格，且酸的用量大。据报道， 日本公害研究所从年开始进一步研究盐酸浸出法处理锰结核的新方法，改进后的新方法可浸出铜、镍、钻、锰, 剩余的残渣大约占锰结核的。今后对锰结核加工处理技术的研究将着重于改进工艺，提高金属回收率， 降低加工成本，以实现工业化生产。,

20、三相氧化法中制得的锰酸钾是生产高锰酸钾或二氧化锰的中间体，目的是实现锰酸钾的进一步转化，得到高锰酸钾、二氧化锰和氧气。其中歧化反应在较低温度即可发生，而热分解反应则需在较高温度下才能进行以三相氧化生成的锰酸钾为中心，经歧化和热分解反应，可以得到高锰酸钾、二氧化锰和氧气等产品，实现了锰产品的系列化、高值化。,五、地下浓缩海水中的化学资源,我国莱州湾、渤海湾和辽东湾沿岸均发现有地下浓缩海水。而莱州湾沿岸地下浓缩海水储量最丰富，浓度最高，其浓缩倍数一般约为海水的3倍，其中化学资源极为丰富，是我国最具有特点的液体化学资源宝库。盐业生产得到迅速的发展，年以来， 溴系及其系列产品也得到了较快的发展。但开发

21、的化学资源还较少。由于缺乏技术，不少有价值的化学资源还未开发出来。海洋科学特别是制盐后产生的大量苦卤生产盐约产生苦卤浓集了许多有用的化学成分，被利用的极少。因此，地下浓缩海水包括苦卤中的化学资源提取应作为我国具有特点的一个重点研究方向。,海水淡化是解决我国严重缺水的有效途径。而大规模海水淡化后将会产生大量浓缩海水，其中化学成分浓缩了10倍左右。如何综合利用也是海洋资源化学研究的一个问题。 海水淡化可为内陆地区节省更多可利用的淡水资源，这对于长远解决我国水资源短缺问题具有战略意义。尤其随着海水淡化进程的不断深入发展，利用淡化浓液晒盐后，使得盐田的制卤能力大大提高，同时也使结晶区的面积显得明显不足

22、。加上土地资源的日益短缺，所以卤水综合利用的工厂化也势在必行。但海水淡化必须与环境协调发展，为此当务之急是开发出经济合理的浓海水化学资源提取技术，将海水淡化与海水综合利用相结合当是两全其美之策。,1、浓海水直接排放,选择浓海水处理方法需考虑浓海水的排放量、组成、排放地的物理或地理环境、公众接受度、投资和操作费用等因素，因此各国家和地区选择的浓海水处理方法并不一致。 在20世纪90年代中期美国膜法海水或苦咸水淡化工业中进行的一项调查表明，137家日生产能力超过95m3 的淡化厂中，48%将浓盐水排入地表水，23%排入市政污水处理厂，13%的工厂浓盐水被重新应用， 10%通过深井注射排入地下水，剩

23、余6%的工厂通过蒸发池处理浓盐水。调查还表明,排入污水处理厂、灌溉土地、排入蒸发池的方法更适合于小规模的淡化厂。,相对于浩瀚的海洋来说，海水排放的浓盐水是极微小的一部分，因此将浓盐水直接排入海洋是当前最经济的方法，一般不会对海洋环境造成很大影响；但海洋对排放物的消纳能力并不是无限的，海水淡化排放的浓海水盐度高，且含有的污染物(如重金属、化学添加剂等) ，浓海水的物理性质与自然海水也有较大差别，浓盐水可能快速沉入海底并危害敏感的深海环境，影响大小取决于排放地的水力及地理因素，某些地区有较高的能量或水流交换较快，化学物质不易聚集是理想的浓盐水排放区域，而某些封闭水域水流交换慢，化学物质很难分散、稀

24、释，如浓海水未经适当的处理而直接大量排放入海，将对海洋生态环境造成相当大的冲击，容易造成局部生态环境破坏。,2、浓海水化学的综合利用,结合现行日晒制盐及苦卤综合利用的工艺制定方案如下，首先将浓海水先送入盐田蒸发浓缩至10Be左右，进行提溴，溴可进一步开发生产系列产品；提溴后卤水中和后返回盐田继续日晒至饱和，饱和卤水大部分送入结晶区晒制海盐，部分进入多效蒸发车间生产精制自然盐，海盐可用于生产纯碱和烧碱、氯气等。制盐母液(苦卤)可以采用传统的卤水化工工艺生产氯化钾、溴、氯化镁等产品,提溴废液也可精制生产晶体氯化镁，氯化镁进一步热解生产高纯氧化镁。当然提溴废液可以生产高纯(或纳米)氢氧化镁等，以提高产品的附加值。,六、白泥综合利用技术研究,氨碱法生产过程中蒸馏工序中排出大量蒸馏废液及盐水精制工序中洗涤桶排出的盐泥废液，经窑气碳化中和后产生的白色沉淀物即为碱渣，俗称制碱白泥,用于种植业,考虑到白泥含有大量的钙、镁盐，呈碱性，可将白泥用于南方酸性土壤的土壤改良剂。