海水資源：海洋化學資源的妙用
98/06/05
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林高弘｜
成功大學永續環境科技研究中心
全世界海洋面積達 3 億 6 千萬平方公里，涵蓋地球表面約 70.8％。海水與土壤的最大不同是海水流動性高，連貫太平洋、印度洋及大西洋的海水組成大致相同。其傳輸動力主要有兩種方式，一種是藉由海水溫度及鹽度不同造成密度差異，使海水上下移動的溫鹽流，另一種是由地球風力帶引的表面洋流。由於海洋的循環流通，世界上臨海國家都有平等機會去發展海洋資源，尤其臺灣四面環海，更具備開發「藍色產業」的有利條件。
目前全世界對海水的利用，主要有海水淡化、海水直接利用及海水化學資源3大體系。海水淡化基本上就是利用物理性質的差異，以蒸發、逆滲透等方法使水與鹽類分開，達到淡化的目的。海水直接利用是指引進海水替代淡水，避免消耗大量淡水，例如以海水直接充當工業冷卻用水、民生沖廁用水等。海水化學資源通常是指可從海水中開發的經濟物質，例如食鹽。
至於海水中到底有多少化學物質可供開發？這必須由海水組成說起。顧名思義，海水以「水」為最多，一般來說，海水的組成有 96.5％ 是水，3.5％ 是鹽類。而這些鹽類主要是由氯、鈉、硫、鎂、鈣、鉀、溴等所組成，稱為海水主要元素。傳統上，海水化學資源的利用，就是以上述主要元素或鹽類為開發目標，做為肥料與基礎化工原料。
其實在海水中除了上述鹽類外，海洋深層水、海水中可釋出的氧氣、海水中的放射性金屬鈾、海底的甲烷冰(或稱冰晶甲烷，俗稱可燃冰)等，也都是海洋化學家族中的成員。因此廣義的海洋化學資源，可定義為存在於海水中的任何有用化學物質。若透過適當途徑開發並「妙用」它們，海洋不僅是生命的起源，也是人類豐富的寶藏。
海水製鹽
談到海水利用，最直接聯想到的就是海水製鹽。人類早期對於海水化學資源的利用，主要以生產食鹽為主，製造方法是使用最自然的日曬法，其原理簡單且操作方便。在臺灣因氣候及營運成本問題，曬鹽史於 2002 年劃下句點（請參見本刊第 402 期相關報導）。現今臺灣食鹽大多使用電透析法獲得，工業用鹽則由國外進口。
以化學角度而言，食鹽經分解可得到「氯」與「鈉」兩種元素，這兩元素分別是「酸」工業與「鹼」工業的主要原料。兩者至今共計有一萬四千多種用途，包含食用、化工、紡織、造紙、染料、冶金、陶瓷、肥皂、玻璃、醫藥等，因此食鹽有「化學工業之母」之稱。而在生產食鹽的同時，利用濃海水或鹵水等副產品，可再提煉出溴、鉀鹽、鎂鹽等其他有用的物質，可見海水資源的經濟效益是相當高的。
紅藥水中的溴
地球上 99％ 以上的溴都蘊藏在海水中，因此溴有「海洋元素」的美稱。海水中的平衡溴含量是 65 ppm。溴是 1824 年法國巴拉爾（A.J. Balard, 1802 - 1876）在實驗後的殘留海水中通入氯氣而首先獲得的。
溴是重要的化工原料，廣泛用在阻燃劑、滅火劑、製冷劑、農藥、化學肥料等方面。溴也是一種藥品的原料，可以生產許多消毒藥品，例如大家熟悉的紅藥水就是溴與汞的有機化合物。此外，溴化鉀、溴化鈉及溴化銨可配製成三溴合劑，能治療神經衰弱和歇斯底里症。臺灣在日治後期曾因軍事需求在高雄市組成「南日本化學工業株式會社」，在安平、布袋、北門等地設立溴素生產工廠，像北門溴磚塔就是當時工廠遺址之一。
海水的苦滋味–鎂鹽
鎂鹽在海水中的含量僅次於氯和鈉，未精製的粗鹽有苦澀味道就是因為含有鎂鹽。全世界的鎂鹽每年約有兩百多萬噸是從海水中提取的，在缺乏陸地資源的日本，鎂鹽幾乎全來自海水。從海水中提取鎂並不複雜，只要把石灰乳液加入海水中，沉澱出氫氧化鎂，再注入鹽酸，就可以轉換成無水氯化鎂。
鎂鹽是良好的耐火材料，可用於航太及建築業，近年來還用在生產新型無機阻燃劑、熱塑性樹脂和橡膠製品的加工上。對植物來說，鎂還是組成葉綠素的主要元素，可以促進對磷肥的吸收，因此鎂肥的開發對於未來人類活動空間的綠美化是一大助力。
植物生長要素–鉀鹽
鉀是植物生長三要素（氮磷鉀）之一，對大多數作物都有明顯的增產效果。海水中鉀鹽的濃度並沒有氯、鈉和鎂高，商業開採並不多見。目前世界上鉀鹽的生產仍以內陸礦場為主，生產的鉀鹽（氯化鉀和硫酸鉀）90％ 以上都用作肥料。除了做為肥料外，鉀鹽總生產量的 5％ 用在工業上，包括清潔劑、玻璃和陶瓷工業（碳酸鉀和硝酸鉀）、紡織染色（黃血鹽鉀）、鞣製皮革（硫酸鋁鉀）等。
火柴及有些炸藥也是利用氯酸鉀、硝酸鉀及過磷酸鉀為原料製作而成的，在高空煙火中的紫色光芒也是鉀鹽的傑作。不過隨陸地資源的快速消耗，從海水提煉鉀鹽是可預見的趨勢。尤其對於資源貧乏卻又臨海的國家而言，海水鉀鹽的開發有其利基。
海洋深層水
海洋深層水近年來在包裝飲用水市場上非常有名。根據經濟部水利署認定，海平面 200 公尺以下的海水才稱得上是海洋深層水。這裡的海水溫度常年保持在攝氏 10 度以下，水流速度緩慢屬於深層溫鹽流，人為污染少。深層水號稱有諸多神奇健康功效，雖仍受到一些學者專家的質疑，但市售深層水產品的熱賣是不容質疑的。
就商業角度而言，深層水是相當值得開發的商品。在臺灣東部有面臨太平洋的陡峻海岸，向海延伸 40 公里，可急遽下降至 4 千公尺以下，是開發海洋深層水的絕佳地區。海洋深層水是多種化學物質的組合，是海水化學資源的一種綜合體，提供人類對新鮮事物及追求健康的另類產品。
氧氣孕育場
目前沒有國家在提煉海洋中的氧氣，但根據推算，全世界的氧氣有一半以上是由海洋中浮游藻類所生產。海生植物與陸地上的植物一樣，陽光可達到的地方便可進行光合作用，而藻類是海洋生物中生產氧氣最多的植物。雖然看不到海洋氧氣的製造，也沒有實質得到經濟效益，但氧氣供生物呼吸，是動物賴以為生的必需品，若沒有海洋「氧氣孕育場」，地球上的生命有可能消失。
海洋提供一個動態的氣體循環系統，氧氣是基本成分，也理所當然地是海水化學資源的一個成員。近年來在許多海域發現所謂的「死亡地帶」(或稱死區)，沒有氧氣，沒有魚類，沒有生命。其罪魁禍首是農業化學肥料的大量使用、工業垃圾及人類生活污染的排放，大量消滅藻類而破壞海洋原有生態平衡造成的惡性循環，最終導致海洋生物死亡。藻類無法再供應氧氣，對人類生存影響甚鉅，因此保護海洋生態是刻不容緩的大事。
海底甲烷冰
甲烷冰的學名叫天然氣水合物（請參見本刊第 412 期），其形成是因為深海缺氧，細菌在分解動植物遺骸時，因無氧可利用而產生甲烷。在海底高壓及低溫的環境下，這些甲烷被籠形結構的水分子所包圍，而形成冰晶狀的固態包合物，稱為天然氣水合物。
甲烷是非常好的燃料，且屬較潔淨能源，其燃燒排放的污染物質比燃油或燃煤少，是 21 世紀新能源之一。目前較擔憂的是甲烷是溫室氣體，開發不完備而釋放於大氣中可能影響氣候變化。根據推算，世界上海底甲烷冰的儲量約為現存石油、天然氣等化石燃料總和的兩倍，因此被視為未來最有潛力的新能源之一。
南極營養鹽
南極在一般人的眼中是冰天雪地的世界，但南極周圍海域卻有大量的生物群，例如蘊藏量約 4 ～ 6 億噸的南極磷蝦。與世界其他各大洋相比，南極海域的生物種類並不多，數量卻非常驚人。南極生物稠密的主要原因，是北方溫暖洋流透過深層溫鹽流，把豐富的營養鹽帶至這地區，而促進浮游植物的生長，並透過連串的食物鏈，建構出龐大數量的高等動物，例如海豹、企鵝、鯨魚等。追根究柢是營養鹽扮演了舉足輕重的角色。
什麼是營養鹽？通常是指含氮與磷的水溶性鹽類。但營養鹽並非越高越好，「優養化」就是營養鹽濃度超過容許臨界點所衍生的環境浩劫，會造成大量生物死亡。一般生態系統的營養鹽主要來自生物排泄物或遺骸分解，巧妙構成食物鏈平衡。但人為活動帶來的額外營養鹽，促使環境急遽變化，導致水質嚴重惡化。從南極海域豐富的生態可以看出，屬海洋化學資源的營養鹽類，雖然非人類可直接開發的物質，但其衍生的生物產值是非常可觀的。
核能用鈾及氘
鈾是核能發電的燃料，1 公斤的鈾相當於 2,250 噸優質煤的能量。除了民生供電用途外，鈾也是核彈武器最主要的成分，原子彈就是利用鈾 235 核分裂時釋出的能量達到破壞的目的。海水中的鈾總含量多達45億噸，是陸地鈾礦儲量的 4,500 倍，因此有人稱海洋是「核武材料倉庫」。目前最有效的海水提鈾方法是利用氫氧化鈦吸附鈾，國際間已有 10 公斤級的海水提鈾工廠。
未來面對石油短缺、價格高漲及二氧化碳限量排放時，把鈾應用在民生發電是考慮的方案之一。有別於重元素鈾的核分裂，另一種核變應用是所謂的核融合，氫彈利用的就是氫同位素（氘—氚）在足夠的高溫下，引發融合反應所產生的能量。目前全世界仍無核融合的發電廠，一旦人工控制成功，建成以氘為原料的熱核電廠，海水提取重水生產氘的開發產業必定興起。蘊藏在海水中的氘有50億噸，足夠使用千萬年，人類持續發展所遇到的能源問題，或許就一勞永逸地解決了。
面對陸地上日益匱乏的能源及原料，海水資源的完善利用是刻不容緩的事。不管是自然產出也好，人為開發也罷，對於具有經濟效益的鹽類或明日之星的產品，都是地球重要的資源。海水化學資源的「妙用」不僅能服務人類，真正的涵義是提供萬物所用。
