WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
О. В. Мосин МОРСКАЯ ВОДА И ЕЁ ОПРЕСНЕНИЕ Огромный слой соленой воды, покрывающий большую часть Земли, представляет собой единое целое и имеет примерно постоянный состав.

Мировой океан огромен. Его объем достигает 1,35 миллиардов кубических километров. Он покрывает около 72% земной поверхности.

Почти вся вода на Земле (97%) находится в мировом океане.

Приблизительно 2,1% воды сосредоточено в полярных льдах и ледниках.

Вся пресная вода в озерах, реках и в составе грунтовых вод составляет лишь 0,6%. Остальные 0,1% воды входят в состав соленой воды из скважин и солончаковых вод.

ТАБЛИЦА 1. Ионные вещества, содержащиеся в морской воде в концентрации выше 0,001 г/кг (1 млн.д.) по весу Ионное вещество Концентрац Содержание, г/кг морской ия, моль/л воды Хлорид-ион С1- 19,35 0,55 Ион натрия Na + 10,76 0,47 Сульфат-ион SoiS2- 2,71 0,028 Ион магния Mg2 + 1,29 0,054 Ион кальция Са2 + 0,412 0,010 Ион калия К + 0,40 0,010 Диоксид углерода 0,106 2,3 10-3 Бромид-ион Вr- 0,067 8,3 10-4 Борная кислота Н3ВО3 0,027 4,3 10 -4 Ион стронция Sr2 + 0,0079 9,1 10-5 Фторид-ион F- 0,001 7 10-5 ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ МОРСКОЙ ВОДЫ Морскую воду часто называют соленой. Под соленостью морской воды понимают массу (в граммах) сухих солей в 1 кг морской воды. В пределах мирового океана соленость колеблется от 33 до 37, в среднем ее можно считать равной 35. Это означает, что в морской воде содержится приблизительно 3,5% растворенных солей. Перечень элементов, содержащихся в морской воде, очень велик, однако концентрация большинства из них очень низка. В таблице 1 указаны 11 ионных частиц, присутствующих в морской воде в концентрациях, превышающих 0,001 г/ кг, т.е. 1 миллионную долю (млн. д.) по весу. Среди веществ, содержащихся в морской воде в несколько меньших, концентрациях (от 1 млн. д. до 0,01 млн. д.), имеются элементы азот, литий, рубидий, фосфор, йод, железо, цинк и молибден. В морской воде обнаружено не менее других элементов в еще более низких концентрациях.

С тех пор как люди стали следить за составом океанической воды, он остается неизменным. Постоянство состава воды в мировом океане свидетельствует о равновесии между процессами поступления и удаления воды. В океаны постоянно втекает речная вода, которая имеет совершенно другой минеральный состав, чем океаническая вода. Например, выветривание горных пород приводит к появлению в речной воде алюминия, кремния, железа или кальция. В морской воде эти элементы постепенно включаются в биологический цикл или удаляются из нее в результате осаждения. Поэтому среднее содержание многих элементов в океанической воде устанавливается в результате равновесия между скоростью процессов поступления этих элементов в морскую воду и удаления их из нее. Этим и объясняется более или менее постоянный состав океанической воды.

БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МОРЯХ И ОКЕАНАХ На состав морской поды важное влияние оказывают существующие в ней растения и животные. Простейшим звеном в цепи питания является фитопланктон-мельчайшие растения, в которых СО2, вода и другие питательные вещества в результате фотосинтеза превращаются в растительное органическое вещество. Анализ состава фитопланктона показывает, что углерод, азот и фосфор присутствуют в нем в атомном отношении 108:16:1 (см. рис. 1). Таким образом, в расчете на один атом фосфора (обычно присутствующий в виде гидрофосфат-иона НРО4- и атомов азота (в виде нитрат-иона) требуется 108 молекул СО2. Благодаря своей большой растворимости в морской воде СО2 всегда находится в ней в избытке. Поэтому концентрация азота или фосфора оказывает лимитирующее влияние на скорость образования органического вещества в процессе фотосинтеза.

Рис. 1. Схема процесса фотосинтеза фитопланктона вблизи от поверхности. В кружках указаны относительные количества требуемых питательных веществ и наиболее распространенные формы этих веществ.

Концентрации нитрат- и гидрофосфат-ионов находятся в сложной зависимости от океанических течений и многих других факторов, наиболее важными среди которых являются вертикальное перемешивание воды.

Последнее объясняется тем, что глубинная океаническая вода богаче фосфором и азотом по сравнению с водой вблизи поверхности. Фотосинтез происходит вблизи поверхности, в зоне фотосинтеза, куда достаточно интенсивно проникают солнечные лучи. В результате фотосинтеза в верхнем слое морской воды глубиной приблизительно 150 м концентрации фосфат- и нитрат-ионов оказываются пониженными. В более глубоких слоях уровень концентраций этих ионов восстанавливается вследствие разложения мертвых растений и животных. Так как в процессе фотосинтеза происходит выделение кислорода, в зоне фотосинтеза его концентрация высока. На больших глубинах концентрация кислорода резко понижается, поскольку он расходуется при окислении мертвых растительных и животных организмов. Концентрация кислорода минимальна на глубине приблизительно 1 км, в той же самой области, где концентрация фосфора восстанавливается до своего максимального уровня.

Извлечение сырьевых ресурсов из морской воды Океан является огромной кладовой химических веществ. В каждой кубической миле морской воды содержится 1,5 -1011 кг растворенных твердых веществ. Океан столь огромен, что если концентрация какого-либо вещества в морской воде составляет всего 1 миллиардную долю по весу, то его содержание в мировом океане исчисляется в 5-109 кг. Тем не менее океан еще мало используется как источник сырьевых материалов, поскольку стоимость извлечения необходимых веществ из воды слишком высока. Лишь три вещества получают из морской воды в промышленно широких масштабах: хлорид натрия, бром и магний.

ХЛОРИД НАТРИЯ Поскольку хлорид натрия-самое распространенное вещество из числа растворенных в морской воде, нет ничего удивительного в том, что значительное количество (приблизительно 4-1010кг ежегодно) чистого хлорида натрия получают из морской воды. С этой целью морскую воду фильтруют и затем дают ей испаряться до тех пор, пока концентрация содержащегося в ней NaCl не превысит его растворимости. Твердый NaCl, который выкристаллизовывается из морской воды, оказывается довольно чистым, но его можно перекристаллизовывать из пресной воды до еще более высокой степени чистоты в зависимости от дальнейшего использования.

БРОМ Ежегодно во всем мире получают более 2,3 • 108 кг брома, главным образом из морской воды. Концентрация бромид-иона в морской воде составляет всего 8,3-10 –4 М. На первой стадии извлечения брома из морской воды к ней добавляют серную кислоту, что снижает рН до 3,5.

Затем через подкисленную воду продувают газообразный хлор в некотором избытке по сравнению с содержащимся в ней бромом. Между растворенным в воде газообразным хлором и бромид-ионом протекает окислительно-восстановительная реакция С12(водн.) + 2Вr- (водн.) = Вr2(водн.) + 2С1- (водн.) Для выделения брома из морской воды ее пропускают через башню, выложенную брусками дерева; в обратном направлении через башню продувают воздух. Для выделения брома из потока прошедшего через башню воздуха его обрабатывают сернистым ангидридом SO2 и паром.

В результате образуются бромистоводородная и серная кислоты:

SO2(r.) + Вr2(г.) + 2Н2О(ж.) = 2НВr(водн.) + Н2SО4(водн.) Чтобы извлечь бром из этого раствора, его снова обрабатывают надлежащим количеством хлора и затем удаляют бром, продувая воздухом. После этого смесь газообразного брома с воздухом пропускают над холодной поверхностью. Температура кипения жидкого брома всего 59°С, что позволяет отделять его от воды перегонкой. Разбавленная серная кислота, остающаяся после удаления брома, используется для подкисления свежей порции впускаемой морской воды.

МАГНИЙ Магний-второй по содержанию металлический элемент в морской воде.

Самый большой завод для получения магния из морской воды в США принадлежит компании «Доу Кемикл» и находится в г. Фрипорте (штатт Техас). На этом заводе Mg2+ осаждают из морской воды в больших отстойниках (рис.2) в виде Mg(OH)2 (ПР = = 1,8-10 -11) путем добавления к морской воде негашеной извести СаО.

Рис. 2. Вид сверху на отстойники (в центре) для осаждения гидроокиси магния из морской воды на заводах компании «Доу Кемикл» (США).

Рисунок из книги Т. Брауна “Химия в центре наук”, М, Мир, Оксид кальция для данного процесса в свою очередь получают из раковин моллюсков. Раковины моллюсков состоят из карбоната кальция.

Их промывают, затем прокаливают в специальной обжиговой печи и таким образом получают негашеную известь:

СаСО3(тв.) = СаО(тв.) + СО2(г.) Гидроксид магния получают по реакции Мg2+(водн.) + СаО(тв.) + Н2О(ж.) = Мg(ОН)2(тв.) + Са2+(водн.) Осаждающийся гидроксид магния содержит примеси ионов Са2+, Na+ и HCO3. Твердый осадок отфильтровывают и затем обрабатывают смесью растворов НС1 и H2SO4. В кислом растворе происходит растворение Mg(OH)Mg(OH)2(тв.) + 2Н+(водн.) = Мg2+(водн.) + 2Н2О(ж.) Большая часть примесных ионов натрия кристаллизуется в составе NaCl, а ион кальция осаждается в составе CaSO4. Раствор, содержащий ионы Mg2+, отфильтровывают и затем концентрируют в испарителе.

Таким образом, в конце концов получают твердый MgCl2. Его растворяют в смеси расплавленных хлоридов металлов при 700°С в электролизных установках (см. рис. 3). Электрическая энергия, подводимая к электролизерам, расходуется на образование из расплавленного хлорида магния металлического магния и газообразного хлора:

электроэнергия МgС12(ж.) = Мg(ж.) + С12(г.) Расплавленный металл отливают в слитки, которые имеют чистоту 99,9%.

Рис. 3. Установки для электролитического получения Mg из MgCl2 на заводе компании «Доу Кемикл» (США). Круглые вертикальные стержни представляют собой угольные аноды, а стержни прямоугольного сечения - медные проводники, по которым в электролизеры подается ток силой до 100000 ампер. Рисунок из книги Т. Брауна “Химия в центре наук”, М, Мир, Опреснение воды Наиболее ценной составной частью морской воды является пресная вода. Нехватка пресной воды все больше ощущается даже в таких странах, как Соединенные Штаты, где с ежегодным уровнем осадков дело обстоит совсем неплохо. Во многих областях Соединенных Штатов потребность в пресной воде для бытовых нужд, сельского хозяйства и промышленности превышает ее имеющиеся запасы. В таких странах, как Израиль или Кувейт, где уровень осадков очень низок, запасы пресной воды совершенно не соответствуют потребностям в ней, которые; возрастают в связи с модернизацией хозяйства и приростом населения. В конце концов все человечество окажется перед необходимостью рассматривать океаны как источник воды.

Высокая концентрация солей делает морскую воду непригодной для питья и для большинства других целей. В Соединенных Штатах содержание солей в водопроводной воде, согласно требованиям органов здравоохранения, не превышает 0,05%. Это намного меньше по сравнению с их 3,5%-ным содержанием в нормальной морской воде или по сравнению с 0,5%-ным или около того содержанием в солоноватых подземных водах.

Снижение содержания солей в морской воде или солоноватых водах до уровня, при котором вода становится пригодной к использованию, называется опреснением воды.

Существует множество способов опреснения воды, и на основе любого из них могут быть построены большие производственные предприятия.

Проблема заключается в том, чтобы проводить опреснение с минимальной затратой энергии и минимальными расходами на оборудование. Это требование важно потому, что нация, которая вынуждена в большей мере полагаться на опресненную воду, должна выдерживать экономическую конкуренцию с другими нациями, располагающими более обильными и дешевыми источниками пресной воды. Такая небольшая страна, как Кувейт, расположенная на берегу Персидского залива и почти не располагающая природными источниками пресной воды, может позволить себе роскошь зависеть от опресненной воды только потому, что она извлекает большие доходы от продажи нефти.

ОПРЕСНЕНИЕ ПУТЕМ ДИСТИЛЛЯЦИИ (ПЕРЕГОНКИ) Воду можно отделить от растворенных в ней солей дистилляцией (перегонкой). Этот процесс основан на том принципе, что вода представляет собой летучее вещество, а соли являются нелетучими веществами.

Принцип дистилляции довольно прост, но с его промышленным использованием связано много проблем. Например, по мере выпаривания пресной воды из сосуда, в котором находится морская вода, раствор соли становится все более концентрированным, и в конце концов соль осаждается. Это приводит к образованию накипи, что в свою очередь ухудшает теплопроводность стенок сосуда, засоряет трубы и т.п.

Напрашивается такое решение этой проблемы, при котором морскую воду после дистилляции из нее некоторого количества пресной воды необходимо сбрасывать, а вместо нее набирать новую порцию морской воды. Но это следует делать аккуратно, чтобы не потерять весь запас тепла, накопленный в нагретой морской воде, и чтобы не пришлось подводить дополнительное тепло к вновь набираемой холодной морской воде. Потери тепла связаны с тепловым загрязнением окружающей среды и удорожанием процесса. Следует также учесть, что, если дистилляцию проводить при атмосферном давлении, воду надо нагревать до 100°С; при более низком давлении температура кипения воды понижается, и, следовательно, дистилляция требует меньших тепловых затрат.

Рис. 4. Схема процесса многостадийной флеш-дистилляции для опреснения воды.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.