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第19章 水资源的介绍(5)

不久,人们找到了更多理想的抗盐办法。将脯氨酸与甘氨酸——甜菜碱结合在一起,放入野生菌株的含盐培养基内,或将甘氨酸——甜菜碱放入KYI杆菌的培养基内,结果大大加剧了固氮酶的活动。在后一种情况下,固氮酶在每升含0.3摩尔、0.5摩尔、0.65摩尔氯化钠环境中的作用基本上与无盐环境中一致。

海水淡化工程

多少年来,科学家们一直在研究海水淡化的新方法。可是由于这种技术太难,所以进展缓慢。直到20世纪70年代末才取得重大的突破,美国杜邦公司研制成功了中空纤维海水淡化器。这种淡化器直径20米,长2.5米,里面装有5万多根外径只有0.5~1.2毫米的中空纤维。只要加上20多千克的压力,每小时就可以从海水中生产出36吨淡水。目前,全世界采用这种技术生产淡水的装置容量达每天140~160万立方米。其中三个最大的装置(日产淡水1~2万立方米),分别建在沙特阿拉伯吉特市、美国加利福尼亚州的基佛斯特和马耳他。

中空纤维是怎样把又苦又咸的海水变成清澈甘泉的呢?我们知道,如果将一张半透膜隔于纯水和海水之间,那纯水就会穿过半透膜渗到海水中去。

但是,如果给海水加以一定的压力(大于水的渗透压),海水中的水分子就会通过半透膜到纯水中来,这叫反渗透。自从1884年,英国制成第一台反渗透海水淡化器以来,这种方法便引起人们的极大兴趣。特别是海上航行的舰船,带上这种淡化器以后,续航时间长多了。但是,那时所用的是单层平板膜,面积小,强度低,效率不高。倘若使淡化膜能承受较高的压力,只好增加厚度。可是这样一来,纯水的透过速度太慢了。到了20世纪60年代,美国的罗尔等创造性地提出了“非对称膜”的构想,即膜的组成和结构都是非均匀的。

它分上下两层,上层很薄,分子之间的孔洞非常均匀,水分子极易通过,起“过水截盐”作用,下层则很疏松、很厚、抗强度高,主要起支撑作用。上层的通常有氰乙基醋酸纤维素等,下层的有聚芳砜等。

化学家们用这种非对称膜(也叫复合膜),可以做成平板式、卷曲式和中空纤维式的新型反渗透海水淡化器。其中以中空纤维式效率最高。因为在1立方米的淡化室中,中空纤维的表面积最大,达1.5~2.0万平方米。而曲卷式的只有1000平方米,平板式的仅有300多平方米。这样,中空纤维海水淡化器成为海水淡化技术中的佼佼者。

现在,淡水紧张的城市越来越多。在20世纪,淡水资源不足,已成为许多国家严重的社会问题,就连美国也不得不考虑在墨西哥湾一带建设日产400万吨的淡化厂,并计划在20世纪90年代后期,全美具有日产淡水11000万吨(人均0.5吨)的能力。到21世纪,人类将在海上造船定居或在海下长期居住。

我国和中东及非洲一些国家,将大力开发宝藏丰富但干旱缺水的国土。这样,除了海水淡化问题之外,还有苦咸水淡化和工业及生活用水的净水等问题。

因而,这种中空纤维式的水质纯化技术,到时可大放光彩。

这种非对称膜虽然很致密,但有时难免有微小的孔穴和结构上的缺陷。

这样,对于分子个体较小的气体来说,就极易造成“短路”,起不到分离作用。1975年,美国化学家爱尼斯巧妙地在非对称膜的上(内)层,再覆盖上一层渗透速度很快而无分离作用的有机物,如有机硅等,将所有微孔堵死。

这样,便诞生了中空纤维气体分离器的新技术。

现在,载人宇宙飞船、潜艇等,用这种气体分离器进行二氧化碳和氧气的分离,从而实现密封系统内的氧气供应。

淡水资源

我们生活的地球有3/4的表面积被蓝色的海水覆盖着,占了地球上总水量的97%,淡水仅占3%。即使这3%的淡水,也不是人类都可直接饮用的。

因为流动的淡水只占1%,其余2%却被镇锁在寒冷而寂寞的冰山之中,与人类日常生活不发生多大关系。地球上的冰几乎都存在于南极洲,那里的冰层厚达2000米,其面积大于整个欧洲!若把南极所有的冰都化成水,将使全世界的海水上升60多米。

南极洲的冰尽管地处遥远,但那丰富的淡水资源对人类来说,并非可望而不可即。有时,那里的冰往往会自动地向我们漂来。因为南极的冰山总是在不时地断裂,断裂下来的冰山漂浮于海洋上,形成奇特的“冰岛”,为时可达数年之久。这些漂浮的冰“岛”,有的大于塞浦路斯岛,有的甚至有半个比利时那样大!这些冰“岛”因为没有“根”,因此可随风或随洋流而漂流。

拖运冰山,开发冰山资源并不是一个新问题。1900年以前,就有人用帆船拖运了一些较小而低平的南极冰山,途经4000千米,运达秘鲁。每年从南极断裂入海的冰山约有10000座。其中每座冰山所含有的淡水量就足以装满1000艘油轮,即使这10000座南极冰山中的淡水有90%损失掉,余下的10%淡水也足够供20多亿人饮用。

拖运冰山是一件很复杂的工作,先要依靠人造卫星将冰山的外形拍摄下来,通过无线电发送回地面,对不同冰山的大小形状和所在位置进行研究,选择其中比较理想的一座。然后派一批人到选定的冰山上去,在靠近前端的冰山顶部,装上6只大金属环,每只环套上一条结实的牵引索(一般是尼龙索),用轮船牵引。开始时,巨大的冰山的移动速度极其缓慢,但一周后就能达到每小时3千米。若设法把冰山前端修整得比较尖狭,移动的速度还可以更快些。

当冰山经过暖海时,要设法防止融化,为此必须将冰山底部和周围与温热的海水隔开来。一般的做法是用两艘船分别从冰山两侧拉着一张巨大的塑料布,自后朝前行进;随着两艘船的行进,塑料布逐渐铺开来,直到整座冰山底部都垫上塑料布为止。塑料布的四周通常还拴有绳子,绳头由小飞机传递到冰山顶上固定,这样冰山底部就被塑料布紧紧地包住了。如果用特制的塑料围裙包裹冰山的四周,那就更要容易得多。这样一来,冰山基本上就与海水隔开了。

至于冰山的顶部,最理想的办法是任其自然地融化成一个凹陷的水池。

这样,照射到冰山顶部的阳光的大部分热量,就会消耗在使这个水池的汽化上面,从而使水池下的冰体受到保护。

当冰山拖到目的地时,如何将巨大的冰体融化成水呢?像沙特阿拉伯那样的国家,单靠酷热的太阳就足以将冰山融化,但过程进展极慢,融化10米厚的冰层要花费一年时间。假如对水的要求不十分紧迫,可以让冰山这样慢慢地自然融化。为此就要在冰山的四周用特殊的围圈隔离起来,使从冰山上融化下来的淡水不会流散到周围的海水中去。至于冰山底部却不必加以隔离,因为海水的比重大,故从冰山上融化下来的水总是处于上层,不会与下层的海水相混。只要用水管把上层的淡水抽吸到陆地上,就可使用了。

潮汐能

波浪和潮汐是海洋水体重要的运动形式,它们与人类有着十分密切的联系。

波浪拍打海岸,可以产生巨大的冲击力,对海岸、海港和海岸工程造成很大的破坏。海岸地貌中的海蚀崖、海蚀柱等,就是海浪留给大自然的杰作。

在大西洋海浪强大的地方,海浪冲破防波堤,曾把一块混凝土堤面和钢骨基础连根拔起;巨大的海浪可以掀翻岸边的船只,甚至可以把万吨轮船推到岸上。

波浪,蕴藏着十分巨大的功能。为了充分利用这种巨大的波能,人们想方设法设计建造各种海浪发电装置,并已获得巨大成功。

这些海浪发电装置,可分为浮标式海浪发电装置、海岸固定式海浪发电装置以及波能转换器、消波发电装置、摇荡浮筒装置和波能存储体或波能舱等。现在已广泛应用于世界各个海区,为人类提供源源不断的无污染再生能源。

潮汐的涨落也蕴藏着巨大的能源。这种因潮汐水位变化产生的动能,叫做潮汐能。一般情况下,潮差越大,潮汐能也越大。如1平方千米海面的潮汐能,潮差在5米时,发电最大功率为5500kW;潮差10米时,则可达22000kW。据粗略估算,全球的海洋潮汐能在109kW以上,如果全部开发利用,则比目前全球的水力发电量还要大100倍。可见,海水真是一个取之不尽,用之不竭的能源宝库。

人类开发利用潮汐能已有悠久的历史。早在500年前,西欧大西洋沿岸的国家,就已利用潮差推动碾磨来磨碎粮食或做工。我国也有安装潮汐磨做工的历史记载。

19世纪末,法国科学家首先提出了兴建潮汐发电站的设想。1913年,在欧洲北海的诺德斯特兰德岛和大陆之间建起了第一个试验性的潮汐发电站。

1967年,法国在朗斯河口建成了当时世界上最大的潮汐发电站。朗斯河注入的英吉利海峡,是世界上潮汐现象最显著的地区之一,河口处最大的潮差可达13.5米,前苏联在科拉米岛沿海,美国、加拿大、英国、阿根廷等在大西洋沿岸,日本在太平洋沿岸相继建成了一些装机容量不等的潮汐发电站。到20世纪90年代中期,世界上已建成100多个潮汐发电站。

我国的潮汐发电技术也有较高的技术水平,小型的潮汐发电站遍及沿海各省。其中比较有名的潮汐电站是浙江温岭市的江厦潮汐试验电站,装机容量为3000kW,在20世纪80年代前仅次于法国朗斯潮汐电站,居世界第2位。潮汐发电原理与水力发电相似。一般来说,需建造一条坚固的大坝,把入海河口或海湾同大海隔开,形成水库。涨潮时,大海水位高于库内水位,潮水从海洋涌入水库,带动水轮发电机发电;退潮时,库内水位高于大海水位,海水从水库流回海洋,也可带动水轮机发电。这种正反两个方向都可发电的电站,称为双向单水库式电站。另外,还有单向单水库式电站和双库连程式电站。前者是落潮时库内水位高于大海水位,水流通过进水管冲击水轮机的叶片,带动发电机发电。后者是建有两个水库,一个水库是在涨潮时进行蓄水,称为上水库,另一个水库在落潮时放水,称为下水库,水轮机安装在两个水库之间,两库始终保持水位差,可以全天发电。

潮汐电站规律性强,容易控制,不受干旱和枯水季节的影响,水库又不需占用耕地,发电功率比较稳定,且不存在环境污染问题,具有明显的优越性,是世界上电能发展的一个方向。

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