沈阳先生 编著
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海水的成分和作用
海水，海中或来自海中的水。明赵振元《为袁氏祭袁石寓宪副》：“呜呼！海水群立，旧鬼烦冤，石寓（袁可立子）之目其瞑焉，否耶！”
海水是流动的，对于人类来说，可用水量是不受限制的。海水是名副其实的液体矿产，平均每立方公里的海水中有3570万吨的矿物质，世界上已知的100多种元素中，80%可以在海水中找到。
海水还是陆地上淡水的来源和气候的调节器，世界海洋每年蒸发的淡水有450万立方公里，其中90%通过降雨返回海洋，10%变为雨雪落在大地上，然后顺河流又返回海洋。海水淡化技术正在发展成为产业。
有人预计，随着生态环境的恶化，人类解决水荒的最后途径很可能是对海水的淡化。
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海水是一种非常复杂的多组分水溶液。海水中各种元素都以一定的物理化学形态存在。在海水中铜的存在形式较为复杂，大部分是有机化合物形式存在的。在自由离子中仅有一小部分以二价正离子形式存在大部分都是以负离子络合物出现。所以自由铜离子仅占全部溶解铜的一小部分。海水中有含量极为丰富的钠，但其化学行为非常简单，它几乎全部以Na+离子形式存在。
海水中的溶解有机物十分复杂，主要是一种叫做“海洋腐殖质”的物质，它的性质与土壤中植被分解生成的腐殖酸和富敏酸类似。海洋腐殖质的分子结构还没有完全确定，但是它与金属能形成强化合物。
海水中的成分可以划分为五类
1．主要成分（大量、常量元素）：指海水中浓度大于1mg/kg的成分。属于此类的有阳离子五种和阴离子六种，还有以分子形式存在的H3BO3，其总和占海水盐分的99.9%。所以称为主要成分。
由于这些成分在海水中的含量较大，各成分的浓度比例近似恒定，生物活动和总盐度变化对其影响都不大，所以称为保守元素。
海水中的Si含量有时也大于1mg/kg，但是由于其浓度受生物活动影响较大，性质不稳定，属于非保守元素，因此讨论主要成分时不包括Si。
2．溶于海水的气体成分，如氧、氮及惰性气体等。
3．营养元素（营养盐、生源要素）：主要是与海洋植物生长有关的要素，通常是指N、P及Si等。这些要素在海水中的含量经常受到植物活动的影响，其含量很低时，会限制植物的正常生长，所以这些要素对生物有重要意义。
4．微量元素：在海水中含量很低，但又不属于营养元素者。
5．海水中的有机物质：如氨基酸、腐殖质、叶绿素等。
海水的主要成份
海水中溶解有各种盐分，海水盐分的成因是一个复杂的问题，与地球的起源、海洋的形成及演变过程有关。一般认为盐分主要来源于地壳岩石风化产物及海底火山喷出的可溶化合物。另外，全球的河流每年向海洋输送5.5×10 15 g溶解盐，这也是海水盐分来源之一。从其来源看，海水中似乎应该含有地球上的所有元素，但是，由于分析水平所限，已经测定的仅有80多种。
海水污染
污水、废渣、废油和化学物质源源不断地流入大海。在许多海域，倾倒混有石油的污水是非法的，但这种事仍时有发生，而真正的石油灾难是在巨型油轮泄漏或沉没时发生的。如今我们设法用化学品使水中石油沉淀以达到清除石油的目的。
向海洋倾倒化学和放射性废物的做法已持续多年。容器总有一天会腐蚀掉，有害物质便将进入海水中。我们对深层水与表层水的循环情况还了解不多，其过程或许比我们以前所想的要快。
因此有害物质就会扩散到生物活动的水层中去。
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为什么是咸的
海水
斯堪的那维亚半岛有一个民间故事说，海水之所以总是咸的，是因为在海底有一个神仙，他磨盐的磨子在不停地转动，所以海水一直是咸的。
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。另外还含有氯化镁、硫酸镁、碳酸镁及含钾、碘、钠、溴等各种元素的其他盐
类。氯化镁是点豆腐用的卤水的主要成分，味道是苦的，因此，含盐模拟重很大的海水喝起来就又咸又苦了。
如果把海水中的盐全部提取出来平铺在陆地上，陆地的高度可以增加153米；假如把世界海洋的水都蒸发干了，海底就会积上60米厚的盐层。
站在海边，极目远望，大海是蓝色的。然而，当你舀起一盆海水观察，你会发现海水是无色透明的。大海的蓝色是从何而来的呢？
吸收率是物体呈现颜色的主要原因。在一定的频率范围内，若物质对通过它的各种频率的光都作等量（指能量）吸收，且吸收量很小，则称这种物质为一般吸收；若物质吸收某种频率的光能比较显著，则称这种物质具有选择吸收性。太阳光照射到海面时，一部分光被反射回来，另一部分光折射进入水中。进入水中的光线在传播过程中会被水吸收。水对光的吸收与光的频率呈正相关，即水俱有选择吸收性，且水对低频光的光吸收显著，对高频光的吸收不明显。红光、橙光在不同的深度时均被吸收了，并使海水的温度升高。到一定的深度黄光也被吸收了。而频率较高的绿光、蓝光和紫光遇到水分子或其他微粒会四面散开，或反射回来。所以当海水明净清澈时，视线中被海水吸收最少的绿光、蓝光和紫光就反射和散射到我们眼里，我们看见的大海就会呈现出美丽的为蔚蓝色。
人们自然会提出这样一个问题，紫光频率最高，散射和反射应当最强烈，为什么海水没有紫色呢？太阳光谱中紫色比例本身就比较小，再加上紫色光和紫外线大部分被臭氧层吸收，剩下的基本上是绿光和蓝光，其中蓝光又比绿光多。所以海水会呈现出蓝色，有时还会带点绿色。
水分子对于可见光中各种频率不同的光线（指红、橙、黄、绿、青、蓝、紫）散射作用（指光束在媒质中前进时，部分光线离原来方向而分散传播的现象）的强弱不同，对于频率高的（如绿、蓝、紫等）其散射作用远比频率低的光（如红、橙、黄）的散射作用强。再加上散射作用的强弱与路程的长短也有关。在水层较浅时，可见光散射作用也不显著。因此，水是无色透明的。当水较多时，由于散射作用显著，水就显出浅蓝绿色。水中溶有空气越多越偏绿色。水更深时，由于吸收作用，光线逐渐减少，会出现深蓝色甚至显黑色。海水非常深时显蓝色，就是这个缘故。
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为什么不能喝
海水中含有大量盐类和多种元素，其中许多元素是人体所需要的。但海水中各种物质浓度太高，远远超过饮用水卫生标准，如果大量饮用，会导致某些元素过量进入人体，影响人体正常的生理功能，还会导致人体脱水，严重的还会引起中毒。
如果喝了海水，可以采取大量饮用淡水的办法补救。大量淡水可以稀释人体摄入过多的矿物质和元素，将其通过汗液排出体外。
据统计，在海上遇难的人员中，饮海水的人比不饮海水的死亡率高12倍。这是为什么呢？原来，人体为了要排出100克海水中含有的盐类，就要排出150克左右的水分。所以，饮用了海水的人不仅补充不到人体需要的水分，反而脱水加快，最后造成死亡。
海水经过淡化处理后是可以饮用的。海水淡化的方法有几十种，最主要的有蒸馏法、电渗法、冷冻法、膜分离法等。蒸馏法是日前应用最多的方法，这种方法是先把水加热、煮沸，使海水产生蒸气，再把蒸气冷凝下来变成蒸馏水。
在用蒸馏法制得的淡水中最好掺入少量（2%）洁净海水或适量矿化剂，这样水味可口，还补充了蒸馏水中缺少而人体必需的无机盐。
在海上遇险、救生等特殊情况下，为了节约淡水，可用部分海水与淡水混合饮用。有人做过试验，人在短期内饮用海水与淡水各半的混合水，一般对人体是无害的，所以海水也是可以喝的。
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主要溶解成分
海水中含量大于1毫克/千克的11种化学成分。它们包括：①钠、镁、钙、钾和锶等5种阳离子；②氯根、硫酸根、碳酸氢根（包括碳酸根）、溴根和氟根等5种阴离子；③硼酸分子。这些成分的总量占海水中所有溶解成分的99.9%以上。被河川搬运入海的岩石风化产物和火山等的喷发物，是海水主要溶解成分的主要来源。
自从地球表面出现海洋之后，在漫长的地质年代中，不但经历了海陆变迁，而且海水中的溶解成分，曾有过组成的演变。尽管各大洋海水的含盐量随海域和深度而异，但海水主要溶解成分的含量间有恒定的比例，就称海水的组成是恒定的，并称这些成分是保守成分。
18世纪以来，人们对海水主要溶解成分进行了许多研究工作。1819年，AM马赛特分析了取自大西洋、北冰洋、 波罗的海、黑海和黄海的14个水样，发现虽然Mg2+、Ca2+、Na+、Cl-、SO娺-等5种成分在不同水样中的含量都各不相同，但它们之间在每一份水样中的比值是近似守恒的，即这些溶解成分的组成有近似的恒比关系。1884年，W.迪特马尔分析了英国“挑战者”号调查船从主要大洋和海区的不同深度采样的77个海水样品，根据(Cl-+Br-)等7种成分的含量，证实了海水主要溶解成分的恒比关系。
20世纪60年代中期，为了深入研究海水中主要溶解成分的含量及其保守性，英国国立海洋研究所和利物浦大学通过海洋调查，收集了世界各大洋及某些海区不同深度的海水样品，分别测定过表层水、中层水和深层水中主要溶解成分的含量，讨论了某些成分变化的情况。1975年，TRS威尔孙对海水主要溶解成分进行了全面的总结。
海水主要溶解成分之间，所以具有恒比关系这一特点,是因为海水中的含盐量相当稳定，加上海水的不停运动,使各成分充分混合的缘故。但由于生物的作用，海底热泉和大陆径流等的影响，局部海区的某些主要溶解成分的含量并不严格遵守恒比关系。例如深层海水中Ca2+的相对含量大约比表层水高千分之五。因此，不同的主要溶解成分的保守性(相对含量的守恒性)略有差异。要研究溶解成分的保守性，考虑的不是它的浓度大小，而应考虑其相对含量，即浓度与含盐量之比。由于通常以氯度或盐度表示含盐量的大小,故引用浓度(克/千克)与氯度或盐度之比为参量，称为氯度比值或盐度比值。直接用氯度比值或盐度比值的恒定性和变化范围说明海水中溶解成分的保守性。
海洋中主要溶解成分的氯度比值，基本上保持恒量。但由于上述原因，氯度比值会产生变化，主要表现为：①生物的影响。② 径流的影响。③结冰和融冰的影响。海水在高纬度海区结冰时，Na+SO7会进入冰晶之中，故结冰后的海水的氯度比值降低；融冰时适相反。④ 溶解氧的影响。⑤ 海底热泉的影响。
中国沿海的海水中，主要溶解成分的氯度比值和大洋海水基本上一致。海水的主要溶解成分，不仅以自由离子形式存在,还会由于缔合作用而形成各种离子对，从而影响着海水的化学性质和物理性质。
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海水淡化技术：非加压吸附渗透海水淡化法
摄取海洋甘泉
水是生命之源。不久以前，人类还沉迷于淡水是自然界取之不尽的无偿赐品的神话，然而，工业化的蓬勃发展与人口的急剧增加无情地粉碎了这个神话。淡水危机甚至比粮食危机、石油危机还要来势汹汹，解决淡水资源问题已提到了人类的议事日程。在这种背景下，把海水、苦咸水等含高盐量的水转化为生产、生活用水的海水淡化技术得到空前迅猛的发展。淡化海水的方法已有十种之多，下面介绍的是其中最为主要的几种。
蒸馏法
蒸馏法虽然是一种古老的方法，但由于技术不断地改进与发展，该方法至今仍占统治地位。蒸馏淡化过程的实质就是水蒸气的形成过程，其原理如同海水受热蒸发形成云，云在一定条件下遇冷形成雨，而雨是不带的咸味的。根据设备蒸馏法、蒸汽压缩蒸馏法、多级闪急蒸馏法等。此外，以上方法的组合也日益受到重视。
电渗析法
电渗析法亦换膜电渗析法。
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，也可以做为水质处理的手段，为污水再利用做出贡献。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。
反渗透法
是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该方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转向反渗透法。超过滤法，
宏大设想
寻找海水淡化新技术
随着科技的飞速发展，压力驱动反渗透膜分离技术(RO)在膜、膜组器、设备和工艺等方面都有了较大创新和改进，但人们也越来越意识到RO技术在节能、环保领域存在的局限，而且就脱盐来讲，RO技术可认为已接近发展的顶峰。因此，国外已经开展了“正向渗透膜分离技术(FO)”的相关研究，并取得了一定的成果，在海水淡化、污水处理、食品加工、医药等领域得到了应用，特别是“压力延缓渗透(FRO)海水发电”，更是一项极具前景的清洁再生能源开发技术J。但是国内对正向渗透膜分离技术关注得很少，相关研究和论文也不多。虽然，上个世纪90年代我国有了创造性的发明“非加压吸附渗透法海水淡化”（CN92110710.2）。
正向渗透分离技术很早就得到了应用。很久以前，人们就采用食盐来长期贮存食物，因为在高盐环境下多数细菌、霉菌和病原菌由于渗透作用会脱水死亡或暂时失去活性。如今，人们已经开始利用正向渗透膜分离技术进行海水淡化、工业废水处理、垃圾渗透液处理等研究；食品工业在实验室利用正向渗透膜分离来浓缩饮料；紧急救援时的生命支持系统利用正向渗透膜分离技术制取淡水。随着材料科学的发展，正向渗透技术已经应用于人体的药物控制释放。
非加压渗透吸附法（90年代）
非加压吸附渗透海水淡化法，或称为“正向渗透法”，让水通过多孔膜正向渗透进入一种超强吸水的吸附剂或盐浓度甚至超过海水的溶液或固态物，不需要外界加压，但溶液里的特殊盐分"提取液"很容易蒸发，不需要加太多的热（加热能与反渗透加压的能量比）。分固态盐、液态盐方向。固态盐解吸附耗能更小。
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海水淡化技术:非加压吸附渗透海水淡化法
碳纳米管薄膜
一种用碳纳米管来做薄膜的小孔，另一种渗透用的薄膜。
活细胞蛋白质膜
薄膜的孔用引导水分子通过活细胞的细胞膜的蛋白质来构成。
反渗透机理
统一的“干闭湿开”反渗透机理模型
有几个经典模型
1．优先吸附毛细孔模型：弱点干态电镜下，没发现孔。湿态膜标本不是电镜的样品。
2．溶解扩散模型：不认为有孔。
3．干闭湿开模型：上个世纪80，90年代能够解释1和2模型的统一的现代最贴切的逆渗透机理模型。既“干闭湿开”反渗透模型，统一了两个最经典的反渗透机制模型，细孔模型，溶解扩散模型。
膜干时，膜收缩致密，孔隙闭合，电镜下看不到
膜湿时，膜材料溶胀，膜的孔隙被溶剂溶胀，孔打开。合并就是“干闭湿开”脱盐模型。
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海水来源
起初，科学家们坚信，海水是地球固有的。它们开始以结构水、结晶水等形式贮存在矿物和岩石之中。以后，随着地球的不断演化，它们便从矿物、岩石中释放出来，成为海水的来源。然而，一些科学家却有不同看法。他们认为，这些“初生水”就是从地面渗入的。近代兴起的天体地质研究表明，在地球的近邻中，无论是距太阳最近的金星、水星，还是距太阳更远一些的火星，都是贫水的，唯有地球得天独厚，拥有如此大量的水。所有这些，都让科学家倍感奇怪，纷纷探讨地球水的真正来源。其实，所有这些观点还都是猜测，离真正揭开地球水源之谜的日子还很遥远。
随着海洋化学的发展，人们逐渐认识了海水，已经确定海水含有80多种元素。这些元素在海水中的含量差别很大。
根据其含量的多少，大体上分为三类：每升海水中含有100毫克以上的常量元素；含有1毫克-100毫克的微量元素；含有1毫克以下的痕量元素。
海水作用
海水制食盐
我国海盐生产发展很快，沿海11个省、自治区、直辖市都有盐田，盐田面积比建国初期有了大幅度增长。所生产的海盐质量也不断提高，品种越来越多。除原盐外，已投入批量生产的有洗涤盐、粉碎洗涤盐、精制盐、加碘盐、餐桌盐、肠衣盐、蛋黄盐和滩晒细盐，并在试制调味盐、饲畜用盐砖等。
海水变肥料
钾元素在海水中占第六位，共有600万亿吨。氯化钾，是我们从海水中提取的肥料。钾肥肥效快，易被植物吸收，不易流失。钾肥能使农作物茎秆长得强壮，防止倒伏，促进开花结实，增强抗寒、抗病虫害能力。海水中提钾主要用来制造钾肥。此外，钾在工业上可用于制造含钾玻璃，这种玻璃不易受化学药品腐蚀，常用于制造化学仪器和装饰品。钾还可以制造肥皂，可用作洗涤剂。钾铝矾（明矾）可用作净水剂。
海水提溴
茫茫大海是化学元素溴的“故乡”，地球上99%以上的溴都在海水中，可谓源源溴素海中来。海水中溴含量约为65毫克/升，总量达100万亿吨。
我国1967年开始用“空气吹出法”进行海水直接提溴，1968年获得成功。青岛、连云港、广西的北海等地相继建立了提溴工厂，进行试验生产。“树脂吸附法”海水提溴也于1972年试验成功。
淡化的能源
考虑到地球海洋中蕴含的广袤的水资源，通过淡化海水也只能满足人类饮用水总需求的不到0.5%。人类每年需要新鲜淡水总量960立方英里(4000立方公里)，总体上地表的淡水足够满足需要。但是却存在区域性的饮水匮乏问题。因此，为什么我们不通过淡化更多的海水来缓解用水短缺和因用水发生的冲突？
问题在于，淡化海水需要大量的能源。盐分在水里溶化非常容易，形成的化学键很难将之断开。能源和海水淡化技术都是非常昂贵的，这意味着淡化海水将是费用昂贵的技术途径。
实际上，要对海水淡化产生的费用进行估算却也不太容易－－这个数字与所在地区、劳动力价格、能源费用、土地成本、金融融资成本密切相关，甚至与海水中含盐分也相关。淡化1立方米(264加仑)海水的成本从1美元以下到2美元以上都有可能。
而如果从江河或者地下采水，所需费用会直线下滑到10-20%，农夫通常在用水上所费甚少。
这意味着用当地的淡水总是比海水淡化要便宜的多。虽然从趋势上看，价格之间的差距在不断减小。比如，通过寻找新水源或者筑坝来满足类似加州这种地方的饮用水需求，每立方米的成本相当于海水淡化成本的60%。
遗憾的是有时候这种传统的获取饮用水的办法不再有效。而且，获取水源的费用也在不断上升，以至于加州这种地方开始严肃考虑是否通过淡化海水来获取饮用水，而类似佛罗里达州Tampa这种地方已经决定建造全美最大的海水淡化厂了。
国际海水淡化协会提供的数据表明，2007年全球有大约13000座海水淡化厂在工作。这些工厂每天的产出大约147亿加仑(556亿升)可饮用的淡水。大部分工厂都分布在沙特这种水比油贵的地方。
能源在淡化海水技术中的作用
有两种办法来断裂海水中的盐水化学键：热蒸溜方法和薄膜渗透方法。热蒸溜方法需要热量：把海水煮沸，水分蒸发留下盐分，然后将水蒸气冷却获得液态淡水。
使用最普遍的薄膜渗透方法称为反渗透法。用半透膜将海水里面的水分和盐分分开。因为这种技术比提溜法便宜，因此大多数的淡化厂都采用这种方法，比如Tampa的淡化厂就是采用反渗透法淡化海水。
需要注意的是，淡化海水也会产生环境成本。海洋生物随着海水进入淡化厂后将被消灭殆尽，一些海洋生物比如小鱼和浮游生物被消灭后会扰乱海洋里的食物链。另外，海水淡化产生的高纯度盐分如何处理也是个头疼的问题。如果把这些高含盐的废水排入大海，那么本地的水生作物会受到严重伤害。处理这些环保问题难度不大，但是会增加淡化成本。
即便存在着经济和环保上的种种问题，但如今人类耗尽其他水源的形势下，海水淡化开始展现出吸引人的优势。人类已经过度开采地表水，大地上遍布各种超出经济和环境所能承受的大小水坝，只要是可资利用的江河，人类都将之堵塞。
虽然在有效合理利用现有水源上还有许多工作需要做，但是随着世界人口的增长和水供应的缩减，海水淡化会越来越受到人们的青睐。
海水
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