2009年4月10日

無盡的寶庫(I):海水

作者/陳鎮東(任教中山大學海洋地質及化學研究所)

海水的形成與地球的整體演化有關,要了解其中的故事,得從大約45 億年前,地球形成之初開始說起。

那時的地球是一團火球,沒有固態或液態水的存在。不過在當時,水蒸氣通常是經由岩漿活動以及火山爆發,不斷地由地球內部排出。現代火山所排出的氣體當中,水蒸氣占了四分之三,而科學家推斷,古時的比例可能還要來得更高些。

當地球慢慢冷卻後,大氣層中的水蒸氣開始凝結,然後降雨,逐漸積聚形成了最原始的海洋。火山氣體(CO2、H2S、SO2、HCl等)以及地殼物質(鈣、鎂、鉀、鈉等),慢慢地又溶入水中,經年累月之下,深處的海水逐漸地越變越鹹。

但是,海水的鹹度提高到某一個程度之後,似乎會達到一種平衡而不再改變。沒有任何跡象顯示,過去幾億年以來,海水的鹽度有再繼續增加。原因可能是由於生物的作用,促使碳酸鹽、二氧化矽、磷等物質沉澱到海底,而這些海底沉積物會再經過隱沒板塊的邊緣而被清除掉,回歸到岩石圈。因此大洋海水中的成分,大體上已處於平衡的狀態,其中以氯化鈉的含量最高,其次是氯化鎂、硫酸鎂以及硫酸鈣。每公斤的海水之中,約含有35 公克的各種鹽類。

以原子數量來說,氯、鈉、鎂以及硫酸根,就占了海水中所溶原子的95%,鈣、鉀各占0.9%,其它元素及化合物,則只占3%左右。就資源的使用而言,人類自古就知道從海水中取鹽,最早的方法,是以稻草吸飽海水再加以焚燒,就可以得到含鹽的灰燼。

後來改以日曬法取鹽,直到現在,連工業先進國之一的美國,都還使用這種原始、卻便宜的日曬法。台灣早期也使用此法,但是因為人工太貴,土地的價格又太高,當時僅存的七股鹽田,每生產一噸鹽,就要賠上一、兩噸的利潤,因此後來已逐漸轉型為觀光鹽田。況且,日曬所取得的食鹽,其中會含有味苦的鎂,往往還得再加工方可食用,所以大多只供工業用途。今日在台灣一般市面上買到的鹽,是在通霄精鹽廠,經過離子交換所得的精鹽。

除了氯化鈉(也就是食鹽)之外,海水中也可以提煉其他元素,如鎂、鉀、溴(重量百分濃度為6.5×10-5)、碘(濃度為6×10-8)。也有人試圖從海水提煉鈾(濃度為3.3 × 10-9)及金(濃度為5 × 10-12),卻因濃度太低、成本太高,基本上都放棄了。此外,提煉與核能密切有關的重水(濃度為1.6×10-4),也尚未有具體成果,然而是否因茲事體大,訊息未被公開,則不得而知。

海水的大宗利用,除了採鹽及以上提及的若干元素之外,最主要是用於沿海電廠冷卻之用。以台灣為例,核一、核二、核三、核四廠以及深澳、協和、林口、通霄、台中、麥寮、興達、大林、南部等主要電廠,都蓋在海邊,主要的原因,就是河川、湖泊的水量太小,不足以供電廠用於冷卻發電機組,雖然規模較小的天然氣發電廠可用空氣冷卻,但台灣溼度太高,效果並不好。

除了當作冷卻水之外,以量而言,排名第二的海水利用項目,則是海水淡化。早在西元1872年,智利就出現世界上第一組太陽能海水蒸餾淡水裝置,日產淡水2噸。1884年英國建成第一部船用裝置,解決了遠洋航運的飲用水問題。不過一直到1957年發明閃急蒸餾法之後,海水淡化的規模才有巨幅的增長。1960年更成功地利用逆滲透法淡化海水,時至今日,要日產百萬噸已不成問題,成本更可壓縮到每噸15元,比大多數水庫的成本低了許多。【更詳細的內容,請參閱第472期科學月刊】

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