海水利用中的几个问题探讨

Posted 2023-01-13 海水

篇首语：情况是在不断的变化，要使自己的思想适应新的情况，就得学习。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了海水利用中的几个问题探讨相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

20世纪30年代后，随着社会、经济的发展和人口的增长，人类对淡水的需求量剧增，加之人类的生产活动对水体的严重污染，使可利用水资源逐年锐减，各缺水国家和地区纷纷寻找新水源。滨海城市和地区均优先将海水作为重要辅助水源考虑，纷纷加大了海水利用开发研究的力度。海水不仅被用来制取淡水和作为工业冷却水，而且还被作为大生活用水〔1〕。开展海水综合利用要解决的主要问题是海水的净化技术、防生物附着技术、设备及管道的防腐蚀技术和利用后的海水的处理技术。
1 防腐蚀技术
海水是含盐量很高的强电解质溶液，对金属有较强的腐蚀作用。海水对碳素钢的腐蚀速度为0.7～1.0mm/a，对一般钢材腐蚀速率则高达3.0mm/a。化工行业普遍使用的3.5mm厚的碳钢立式列管冷凝器，如果用淡水作冷却水使用期为25a，用海水作直流冷却水若不采取防腐措施，使用1.5a冷却器即穿孔泄漏。
1.1 根据具体情况选择耐蚀材料
根据具体情况选用不同耐蚀材料是比较好的方法。比较广泛采用的耐蚀材料有钛合金、铜合金、钛钢复合材、特种不锈钢、铸铁、玻璃钢、砷铝黄铁和塑料等。塑料管如PVC和UPVC，具有良好的耐海水腐蚀性能，但由于耐压强度较低，故一般用于户内。玻璃钢也是一种塑料，不仅耐海水腐蚀性能好，而且耐压强度较高，一般使用寿命从理论上推导可达50a。近几年在海水利用中，玻璃钢已引起人们的重视而被使用，如大连长海县1000m3/d海水淡化工程引海水管道材质便是玻璃钢。钛在所有天然水中都是最理想的耐蚀材料，即使在温度高达260℃的海水中仍然很耐腐蚀。在污染海水中的钛管凝汽器使用16a，只发现稍有变色而没有任何腐蚀现象。钛能抗高速海水的冲蚀，水速高达36.6m/s时，冲蚀速度也只有0.008mm/a〔2〕。同时钛也被公认为海水中最佳抗空泡腐蚀的金属材料。尽管钛材抗腐蚀性能极其优异，但价格极其昂贵，所以钛材只被用来制作关键部件，如青岛碱业股份公司碳化冷却水管、吸收与蒸馏工序的海水冷却设备采用的就是钛材。工业上常用的铸铁含碳量为2.5%～4.0%，此外还含有硅、锰、硫、磷等元素，它不仅价格低廉，而且耐海水腐蚀性能也较好。铸铁耐海水腐蚀性能与其组成有关，碳含量越低，硅含量越高，耐腐蚀性能愈好。铸铁的母体晶格结构对耐腐蚀性能也有较大的影响，耐海水腐蚀最佳的是白铸铁和灰铸铁，其母体结构分别为莱氏体(ledeburite)和铁素体(ferric)。由于价格低廉，并具有良好的耐海水腐蚀性能，铸铁泵和管材经常被用来输送海水。不锈钢是得到广泛应用的海洋防腐蚀材料。不锈钢的耐腐蚀性能主要取决于其含铬量，因铬能快速与氧气反应形成一层氧化铬薄膜，这层氧化膜能阻止氧气的进一步腐蚀。根据铬含量和镍含量的不同，不锈钢可分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和双相不锈钢。最适于海洋环境中的不锈钢是奥氏体不锈钢，故奥氏体不锈钢又被称为海洋级不锈钢。
1.2 电化学阴极保护
阴极保护不仅可防止均匀腐蚀，也可防止孔蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀，而且对防止冲击腐蚀和空泡腐蚀也有一定效果〔3〕。实施阴极保护有两种方法，即牺牲阳极法和外加电流阴极保护法。常用牺牲阳极材料有4种：铝阳极、锌阳极、镁阳极和铁阳极。锌阳极自调节能力最好，工作稳定可靠，但发生电量少，消耗量大。铝阳极发生电量大，是锌阳极的3倍，适用于保护大型海洋结构。镁阳极的最大优点是负电性最强，可获得最高的驱动电压。铁阳极可以保护铜，还可保护海水中的不锈钢和铜镍合金免遭缝隙腐蚀〔4〕。通过外加电源使金属阴极极化从而获得保护的方法称为外加电流阴极保护法。一般说外加电流阴极保护法比牺牲阳极法更经济。
1.3 涂层或衬里
涂层或衬里是应用最为广泛的防腐方法。常用涂层材料或内衬材料包括环氧煤沥青、聚乙烯、环氧树脂、铝喷镀、橡胶衬里、混凝土以及其他有机防腐材料。如水泥喷砂衬里的铸铁管输送海水，使用期可达20～30a。香港采用内衬抗硫酸盐混凝土的钢管和球墨铸铁管输送海水已有近50a历史。实践证明，在埋地和海底金属管道的防腐中单一使用涂层保护有一定的局限性，很难达到较长年限的防腐要求〔5〕。而涂层与电化学阴极保护法相结合，可得到长期有效的保护措施。海水作为循环冷却水时，可通过添加缓蚀剂解决系统腐蚀问题。
2 海水净化技术
海水是一个常处于热力学不稳定状态的多级体系，含有大量的悬浮物质和胶体，尤其是河口海域，被称为“胶体王国"，海水中的胶体具有较强的动力学活性〔6〕。海水中有机物含量较少，只是海水中无机物含量的1/105，但在固-液界面相互作用中扮演着重要角色〔7〕。这些有机物极易吸附到悬浮颗粒物表面，形成一层“有机膜"，而这些海水中的有机物大都是亲水性有机物，吸附到悬浮颗粒物表面后便形成水化保护层。天然海水中的各种颗粒物，不管其组成如何，表面均带负电荷，而且表面电性质均匀一致〔8〕。正是由于表面带电荷和有一层水化保护层，使得海水中的悬浮物颗粒处于分散稳定状态。有研究表明〔9〕，在海水净化过程中，单独使用有机离子絮凝剂，混凝效果极差。而无机絮凝剂却有很好的混凝效果，常用无机絮凝剂有三氯化铁、聚合氯化铁、硫酸铝和聚合硫酸铁等，其中铁盐混凝效果最佳。
在海水利用过程中，应根据原海水的水质选择海水净化工艺。对含泥沙较多的海水，可用沉沙池澄清；含悬浮物多的海水，用过滤器处理；含胶体物质多的海水，采用化学净化处理。
选择海水净化工艺还要根据海水的用途，若所取海水是用来作为大生活用水，则只需经过加入杀生剂和絮凝沉降工艺即可达到所需要的水质。如果所取海水是进入反渗透法海水淡化装置，则对进水水质要求较高，一般需采用图1所示的净化工艺〔10〕。但具体设计时还要根据实际情况对有关工序进行取舍，如大连长海县100t/d反渗透海水淡化示范工程的预处理工艺就没有活性炭过滤器。

3 防海洋生物附着技术
海洋附着生物又称为污损生物。在我国沿海地带常见的海洋附着生物有很多〔11〕。海洋生物附着不仅影响设备的运行，而且会造成腐蚀。因此海洋生物附着也是海水利用技术推广应用的限制性因素之一。目前防止海洋生物附着的方法主要有投放药物、电解海水法、窒息法、涂料防污。青岛碱厂、青岛化工厂采用加氯杀生法防止海洋生物附着。香港的海水利用量达2.12亿m3/a，解决海洋生物附着的方法为电解海水法，利用电解海水产生的次氯酸钠杀死海洋生物幼虫或虫卵。青岛发电厂、青岛海水厂等单位也采用此法防止海洋生物附着。
4 海水的后处理技术
海水利用中应重视排放海水的处理，如海水淡化后的浓盐水排放至海洋中，会使局部海域的盐度增大，所以有人建议用深井注射法处理浓缩海水〔12〕，但解决此问题的最好办法是开展浓盐水制盐等综合利用。
采用海水作为生活用水，排放的海水的后处理技术最为引人重视。因为海水的含盐量很高，给后处理带来了很大困难。国内已有学者对海水进入城市污水处理厂后对污水生化系统的种种影响进行了较为全面的研究。
海水进入城市污水生化系统后，使系统的微生物群落发生了变化，污水中含24%以上海水时，后生动物及更高级微生物无法存活，系统中的微生物主要以原生动物为主〔13〕。污水中海水比例在48%以下时，COD去除率并未降低，基本保持在85%以上。污水中海水比例超过48%。COD去除率开始下降〔14〕。
海水盐度有利于污泥沉降〔15〕。系统中含盐量不高时，污泥容积指数(SVI)在100左右，随着污水中海水比例的增大，SVI逐渐降低，污水中海水占36%时，SVI值一般保持在30mL/g左右。王静等〔16～18〕还研究了海水盐度对硝化过程的影响和生化系统处理含海水污水时的动力学参数。这些研究对于海水利用技术的推广应用是非常重要的。
5 结束语
我国海岸线漫长，沿岸岛屿众多，有取之不尽的海水资源，充分发挥临海优势，利用海水替代淡水是缓解沿海地区淡水紧缺局面的的重要途径。但海水利用技术的推广有待于关键问题的解决，今后应加大以下两方面的研究力度。
(1)由于我国近岸海域地质不同，既有沙滩，亦有泥滩，海水水质大不相同，因而需要对各种水质的海水的前处理方法进行优化选择，开展新型海水净化絮凝剂的研究，以进一步降低海水净化的成本。
(2)虽然将使用后的海水引入污水处理厂进行生化处理是可行的，但海水的进入会对原污水处理厂出水的用途产生影响，因为海水的高盐度将无法让生化处理厂的出水用来浇灌绿地和农业灌溉。同时建设污水处理厂需一定的规模，规模太小，则运行费用过高。而我国沿海地区，不仅仅有大城市，也有小城镇，还有许多岛屿。由于规模和资金的限制，暂时还无法建设污水处理厂。为了解决上述问题，应研究含海水污水的综合处理技术，如含海水污水的生态塘净化技术。