书城科普读物新编科技大博览(B卷)——蔚蓝旖旎的海洋
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第29章 海洋开发篇(4)

另外,这种水下实验室除具有常规减压设备外,它还可以在海底直接对潜水员减压,潜水员在返回地面后可以立刻离开实验室而不会发生危险。它还配备有救生室、救生筏等水下安全室和陆上减压室,在紧急情况下供潜水员安全迅速撤离作业现场。“赫尔果兰”号水下实验室的这些技术性能,在世界水下实验室中堪称是第一流的。

水下实验室,作为未来有很大发展前景的高技术,总的趋势是向作业深度大、自持力强和机动性好的方向发展。

海水提溴

由于溴在海水中呈离子状态存在,所以在提取溴的过程中,首先要将原料海水酸化,再利用氯气或其他氧化剂氧化成溴,然后以其他化学方式从母液中分离出溴。目前,海水提溴技术有空气吹出法、水蒸气蒸馏法、溶剂萃取法、沉淀法和吸附法等,其中工业上普遍采用空气吹出法。这种方法就是用氯气氧化海水中的溴离子,使其变成溴,然后通入空气或水蒸气,把溴吹出来,其整个工艺流程包括酸化、氧化、吹出、吸收和蒸馏等。采用这种方法,设备少、流程简单,易于实现机械化和自动化。在现代海水提溴工业中,所有提溴工艺都采用自动控制系统进行控制和记录。现在,美国、英国、德国、法国和日本都先后建立了海水提溴工厂。美国在第二次世界大战期间建立了世界上最大的海水提溴工厂,当时该工厂生产的溴,几乎占了世界海水提溴总量的2/3。

我国对海水提溴技术的研究和开发始于60年代中期,1968年采用空气吹出法从海水直接提溴取得试验成功以后,在青岛、连云港、北海等地相继建立了年产百吨级的海水提溴工厂进行试生产。我国目前采用的方法主要有水蒸汽蒸馏法、空气吹出法。前者的技术水平已达到年产3000t的能力。后者因工艺先进、成本较低,生产能力达每年6000t,其技术接近世界先进水平。近年来,我国新开发出了树脂法提溴技术,该项技术节省投资和电力、成本低、不受气温和卤温的影响、能全年进行生产,其技术水平达到每年生产500t溴的能力。

海水提镁

从海水中提取镁的技术研究开发较早,现已进入了工业规模的开发生产。海水提镁最基本的方法是向海水中加碱,使海水形成沉淀。通常先把海水吸到沉淀槽,再用石灰粉末与海水快速反应,经过沉降、洗涤和过滤,就获得氢氧化镁沉淀块,经进一步煅烧就可得到耐火材料氧化镁。若制取金属镁,须加盐酸使之变成氯化镁,经过滤、干燥,而后在电解槽中电解,就得到金属镁。近年来,海水提镁技术有了长足进展。在沉降分离设备中已由离心泵过滤机、管式过滤机替代了回转真空过滤机,使镁滤饼含水量由50%降至40%~25%;煅烧设备也由原来的竖窑发展成多层炉、回转炉,煅烧由一次煅烧改为二次煅烧。所有这一切技术改革,都大大提高了镁的质量。目前,世界上从事海水提镁的主要国家有美国、日本、英国等,海水镁砂年产量达2.7×106t,占镁砂总产量的1/3,以美国产量最高,日本次之,英国居第3位。

我国的海水提镁技术研究和开发是近10年才着手进行的,目前在产品种类、海水预处理、沉淀剂、降硼方法等方面都取得了可喜的进展。由华东师范大学制取的高纯海水镁砂,质量与日本产品相媲美,现今不仅能提供国内一些部门使用,还有少量产品供出口。

海水提钾

国外对海水提钾技术的研究和开发始于20年代中期。英国首先利用海水提钾,并在死海组织了大规模的海水提钾生产。日本、意大利也先后建立了年产量1×104t的海水提钾工厂。自50年代以来,海水提钾相继采用过浮选法(生产能力达年产2×105t);60年代中期采用热沥滤法(生产能力达年产4×105t);到80年代中期采用冷沥滤法(生产能力超过年产1×106t)。3种方法相比,浮选法生产成本高,热沥滤法能源消耗大,以冷沥滤法成为海水提钾的最优方法。但是,由于海水含钾浓度太低,其技术还没达到大规模工业化生产的水平。

我国的海水提钾技术研究开发始于70年代初,近年研制出以硅-铝为骨架的无机离子交换剂,对钾的选择性和交换量颇佳,并在交换量上超过日本的试验数据,达到了世界海水提钾的先进水平。目前,已成功地进行了年产百吨级硫酸钾的中试,并准备进一步扩大生产。

海水提铀

世界上研究和开发海水提铀技术最早的国家是英国,第二次世界大战结束后不久,英国就从事这项工作,先后提出了用离子交换树脂及吸附法从海水中提铀方案,这些都是在实验室内进行的研究。日本在1984年建成了年产10kg铀的海水提铀模拟厂,这是世界上第1个海水提铀工厂。目前,美国、德国、法国等20多个国家,都相继进行海水提铀研究开发工作,提取方法主要有起泡分离法、生物富集法、吸附法。

起泡分离法是将起泡剂加入海水中,再用动力鼓气使海水起泡,起泡的物质与铀发生化学作用,海水中的铀就聚集在气泡上,于是把铀从海水中提取出来了。这种方法铀的提取率达80%~90%,是近几年新发展的方法,目前只限于实验室内使用,而在工程上很难实现。

生物富集法是把经过筛选和专门培养的海藻放在海水中进行富集铀的方法。在海洋中有些藻类富集铀的能力很强,集铀的浓度比海水高1万倍,其含量达150mg/L,接近或超过陆上低品位铀矿的含铀量。日本研究出一种小球藻,其自然繁殖快、富集铀量大、提取成本低,很有发展前途,在工程上是可以实现的。目前,德国也正在筹建中试生产工厂。

吸附法是最有希望的一种方法,吸铀量较高。迄今,已研制出百种吸附剂,经常采用的有水合氧化钛、碱式碳酸锌、方铝矿石、离子交换树脂等,其中水合氧化钛复合吸附剂是当前国际上海水提铀研究开发中最主要的一种,它每克可吸收500~600μg铀,甚至高达1000μg以上。海水如何通过吸附床,是海水提铀实现工业化生产的关键。为此,科学家们提出了一些吸附剂与海水接触的方案,其中较著名的有泵柱式、海流式和潮汐湖式。

泵柱式是把吸附剂装入吸附柱中,用水泵把海水连续不断地通入吸附柱,以使吸附剂与海水接触。这种方法适于在实验室或试验工厂使用,其主要缺点是因海水流动阻力大,致使耗能大。

海流式是把装有吸附剂的吸附床放在有海流的地方,借助海流自然流经吸附床而使吸附剂与海水接触。这种方法需要把装置放在离岸较远的海流流速大的海域,还要考虑防灾技术,因而投资昂贵。

潮汐湖式是把载有吸附剂的吸附床置于有潮汐涨落的上湖和下湖之间,在涨潮时把上湖水门打开让海水流进,当海水由上湖经吸附床流向下湖时,吸附剂与海水接触吸附铀,落潮时下湖水门打开,使接触过吸附剂的海水流走。这种方案由于问题较多,至今还没进行实验。

我国的海水提铀技术研究与开发始于1967年,至70年代末,对铀吸附剂进行了大量筛选研究工作。采用钛型吸附剂,每克可从海水中稳定地吸附铀650μg;采用有机离子交换树脂可稳定地吸附1000μg以上。已从海水中提取了数千克铀化合物,在提铀设备及研究方法上达到世界先进水平,其吸附剂的吸铀率已超过英国。目前,海水提铀研究与开发工作仍处于实验室内的试验阶段,要达到工业化生产水平,还必须解决吸附剂工业化基本参数的测定、总体工程和吸附工程设计,以及整个工程自动控制等技术问题。

海洋牧场

鱼类是人类动物蛋白的主要来源之一,也是现代生物医药工业的主要原料。不同的鱼,有不同的滋味,也有不同的医建立海洋水产基地,发展沿岸渔业药用途。在一望无垠的海洋里,人们想根据自己的需要,来捕捉某些特定品种的鱼类,显然是十分困难的。那么能不能让鱼像牛羊一样进行人工饲养和放牧呢?这便是人们设想中的海洋牧场。

目前建设海洋牧场有很多困难:一是,鱼类不像牛羊那样听从人们的指挥;二是,在那波涛万顷的大海里,怎样建设一个防止鱼类逃散的围牢,和怎样防治有害鱼虾的闯入……20世纪70年代以来,日本率先进行海洋牧场的试验与研究。实践证明,要建设好海洋牧场,就必须妥善处理好以下技术。

一是生物管理技术,就是怎样在幼鱼时期和产卵期间防御外敌的侵袭,怎样创造良好的成育环境,以便能尽量减少饲养鱼类的死亡,降低饲养成本。当然,生物管理也包括怎样把饲养的鱼类、贝类圈住,不让它们到处乱游。海洋里既不能砌墙,也不能用栏杆,人们就设法利用电波设置“电墙”,或者利用声波、气泡设置声墙或气泡墙。为了防止放牧时鱼类的逃散,还驯育海豚来充当“牧鱼狗”。

二是环境控制技术,即怎样控制水的流动,怎样控制与创造人工海底环境等等。海底的海水通常含有较多养分。利用某些人工设施,使海底的海水产生上涌的水流,与上部海水混合,就会有利于鱼类的生长。此外,如何加强富含养分的海水循环流动,也是提高鱼类、贝类的存活率,减少人工饵食的投放,降低饲养成本的关键。

三是病虫害治理技术。某些较单一品种的鱼类、贝类聚居在一起,难免会互相感染疾病和虫害。原本在自然环境下,鱼儿往往自生自灭,人们并不关心它们是否遭到什么病虫害的威胁。现在则不同,要保证它们的存活率,就必须与各种病虫害进行斗争。由于这方面是人们比较忽略的领域,这就为办好海洋牧场提出了许多亟待解决的新课题。

总之,在海洋里“牧鱼”,要比在陆地上牧牛、牧羊规模大得多,技术上的复杂性和难度自然也要大得多,至今,这一技术仍然不是十分成熟,人们还在不断地摸索。

人工鱼礁

有一次,意大利几位科学家在热那亚沿海进行海洋调查时发现,在投弃到大海里的废汽车上聚集了大量的海洋微生物、浮游生物和藻类,由此吸引了许多鱼类和其他喜欢穴居的海洋生物在此安家。这一发现引起了他们的浓厚兴趣,接着他们就把1000多辆废汽车投放到海底进行试验,结果发现,天长日久,这些废汽车也成了许多鱼类栖息、取食和避难的乐园。

这使他们受到很大的启发:既然废汽车可以变成鱼类的“公寓”,那么,人工投放一些类似的物体是否也能够吸引更多的鱼类来此落户呢?经过反复的试验,结果这些人工投放到海底的各种物体大都有吸引鱼群的作用。人们给这种人工制造的物体起了个名字,叫做“人工鱼礁”。

人工鱼礁为什么能吸引鱼类和其他海洋生物呢?人们对此看法不一。有人认为,人工鱼礁可以看作是海底的一种隆起物,在隆起物的周围可以形成向上的上升水流,沉积在海底的丰富的营养物质随着上升水流不断向上运送,为海洋上层浮游生物的生长和繁殖提供了充足的养料;而浮游生物的增加,又为鱼类和其他海洋生物提供了更多的食物,起到了诱集鱼类的作用。也有人认为,人工鱼礁之所以能够诱集鱼,是因为它会产生某些鱼类喜欢的阴影,人工鱼礁的洞穴会造成某些鱼类喜欢的空间,或者某些鱼类需要利用人工鱼礁经常摩擦身体。尽管目前人们对人工鱼礁集鱼的原理认识还不统一,但有一点是肯定的,那就是人工鱼礁的集鱼效果是十分明显的。美国在夏威夷莫那尔湾投放旧汽车,形成鱼礁,经调查表明,建礁前后沿岸鱼类分布量分别为每平方米16千克和700千克,建礁后是建礁前的43倍多。日本从20世纪60年代起在濑户内海投放了大量的人工鱼礁,到80年代,海产品年平均产量从20万吨提高到70万吨。

现在,人工鱼礁技术在世界各国普遍推广。美国在沿海已建立了1200多处人工鱼礁渔场,几乎遍及沿海各州。日本在1976~1981年建成人工鱼礁点3086处,面积达680平方千米;1982~1987年人工鱼礁投放面积又扩大了1倍左右。俄罗斯、法国、澳大利亚、韩国、印度尼西亚、菲律宾等国也正在进行人工鱼礁建设。我国在沿海已建设28个人工鱼礁区,投放各种类型的人工鱼礁2.87万个、废旧船只49艘。1998年4月,香港特区渔农处将一艘长33.4米、宽7.5米、高7米的旧水泥船沉入海底,并计划在3年内建成20个人工鱼礁点。人工鱼礁使低产水域变成了优良鱼场,为实现“耕海牧鱼”发挥了重要作用。

开采海底锰结核

海洋里有许多矿物,尤其在水深2000~6000米的大洋海底表层,分布着大量的锰结核。

锰结核的外形像土豆,里面密密层层的,直径一般在1~25厘米,最大的直径可达1米,重几百千克。它含有70多种元素,其中锰、铜、钴、镍的含量非常高。世界各大洋锰结核的总储量约为3万亿吨,其中4000亿吨锰、88亿吨铜、164亿吨镍、98亿吨钴,分别为大陆储量的几十倍至几千倍,具有很高的工业开采价值,被誉为21世纪的矿产资源。