水與海水的淡化
91/09/05
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馬哲儒｜
成功大學化學工程學系（所）講座及名譽教授
地球是一顆「水星」
太陽系裡有九大行星：水星、火星、金星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星和地球。其中，只有我們所居住的地球上有大量的水。大家都看到過由太空中所拍攝的地球相片，有白色的雲和藍色的大海，真是一顆漂亮的星球。到目前為止，天文學家還沒有發現過另一個星球上有這麼多的水。實際上，地球才是一個真正的「水星」。
地球上有多少水呢？很多！地球的表面上大約四分之三是海洋，只有四分之一是陸地，總水量是一百四十五萬兆或億億噸，這真的是一個很大的數目，大得很難想像有多大了。一談到水，難免就會想到滾滾的長江大河，但實際上這些地表上的淡水只占全部水量的0.2％；地下的淡水反而多些，占0.55％；更多的淡水是南北兩極地區和高山的冰雪，占全部水量的2.25％；而絕大部分是鹹水，占總量的97％；此外，有很少（0.002％）的水是大氣中的水蒸氣。水蒸氣雖然只占全部水量的十萬分之二，但卻在風雲變幻中扮演著非常重要的角色，它使地球活了起來。
水是地球上的活躍角色
我們都知道物質有三態：氣態、液態和固態。地球上有許多氧和氮，他們只能以氣體的形式存在於大氣中。在自然的環境中我們找不到液態的氧和氮，更不可能找到固態的氧和氮。這是因為地球表面上的溫度對它們來說，太熱了，熱得使它們沒有機會凝結為液體 ，更不可能凝固成為固體。地球表面上有許多氧化鐵、氧化矽，氧化鋁 …，都是岩石和土壤中的主要成分，他們只能以固體的形式出現。這是因為地球表面上的溫度對它們來說太冷了，冷得除了在火山爆發的時候之外，在自然的環境中不可能看到融化成為液體的氧化鐵、氧化矽或氧化鋁。它們當然更沒有機會以氣態的形式出現。而水卻是一種同時以固態、液態和氣態存在於地球表面上的特權分子。
地球表面上的溫度，兩極地區冷，赤道附近熱，整體而言，大約在攝氏零下50度到50度之間，而水在一個大氣壓下的冰點是零度，沸點是100度。因此，在比較冷的地方，水是以固體－冰的形式存在；在比較暖的地方是以液體的形式出現。在溫度高的地方，水的蒸氣壓力比較高，空氣裡水蒸氣的含量可以比較多；在溫度低的地方，水的蒸氣壓力很低，空氣裡可以容納的水蒸氣也很少。溫度高水蒸氣含量多的空氣一旦流到溫度低的地方，被冷卻下來之後，裡面所含的大部分的水蒸氣一定會凝結為液體或固體，成為雲、雨、霜、雪或是冰雹。
因為地球的體積大小適當，它的重力場可以強到足以留住一個大氣層，使大氣中的各種成分不致散失到太空中去。它與太陽的距離也恰到好處，使它表面上的溫度可以讓水同時以固體、液體和氣體的三種形式出現，成為一種無所不在的非常活躍的分子。我們也可以說因為有足夠的水，發揮了調節溫度的功能，才使地球表面上維持在大約零下50度到50度之間。在赤道附近，海洋中的水吸收了許多由太陽照射而來的熱量，蒸發成為大氣中的水蒸氣，使溫度不致於變得更熱。這些大氣中的水蒸氣到了南北兩極附近，在凝結為冰雪的時候放出了許多熱量，才使這些地方不至於變得更冷。
因為表面上有這麼多的水，地球才能成為一個很活的「水星」，也是一個風雲變幻、熱熱鬧鬧的舞臺。
水的循環使海水很濃
我們洗澡要用水，洗衣服要用水，一想到洗，馬上就會聯想到水，這是因為水是一種非常好的溶劑，他能溶解各種不同的物質，具有把許多東西「洗掉」的能力。由於陽光的照射，使海洋和陸地上的水蒸發，成為大氣中的水蒸氣。空氣裡水蒸氣含量多了，就會變得比較輕些。這是因為空氣裡最主要的成分：氮的分子量是28，氧的分子量是32，而水的分子量只有18，比氮和氧都小得很多，也輕得很多，水蒸氣含量多的空氣當然會比較輕，因為較輕便會上浮。上浮的空氣到了較冷的高空以後，由於溫度降低，裡面的水蒸氣便會凝結成液體或固體，以雨或雪的形式落下來。
落在陸地上的水，匯集成為溪流、江、河，流向大海。這些地面上的水在流向大海的途中，把可以溶解的東西也就帶到海水中去了。海水在蒸發成為水蒸氣的時候，不會把溶在裡面的物質一起帶出去。因此，在水的循環過程中，只有水在循環，而溶在裡面的物質只是單方向地被帶向大海，並不能跟著水一起循環。我們的陸地不斷地被空降的水沖刷，好像一直在洗澡，沖洗了億萬年之後，把可以溶解的東西帶了很多到海洋中，也累積在海洋中了。因此，人們常說海洋是一個非常大的資源庫。
海水的成分非常複雜，除了水之外，溶解的雜質約占3.5％，算是相當濃了，其中含量最多的是氯離子和鈉離子，另外還有許多其他有用的成分。把這些有用的成分從海水中取出來，在技術上都並不很困難，問題在於生產的成本。海水中最有用的成分是什麼？當然是水。
水是生命的要素
一個大家都很關心的問題是：別的天體，例如火星上有沒有生命？為了要回答這個問題，首先需要偵測的是：上面有沒有水？如果沒有水，便沒有生物存在的可能。因為水是生命的要素。
各種動物和植物的身體中含水的比例都很高。不論是高等的或是低等的動植物，都得靠水把有用的東西送到身體各處，把不要的廢物排出體外，也要靠水來輸送氧氣和二氧化碳。水中的生物也許感覺不出水對他們的重要性，就像陸地上的生物平時感覺不出空氣的重要性一樣。但是，一旦把牠們從水中撈出來，馬上就活不下去了。陸地上的生物，不論是動物或植物，是不是有一套有效的取得水源的策略，是在生存競爭中獲勝的一項重要的條件。在沙漠裡，水是非常珍貴的，得來不易，一旦取得了一些，就要設法儲存起來。仙人掌有肥大的葉片，駱駝背上長著駝峰，都是這方面的高手。
文明的進步與水資源的枯竭
近年來，黃河產生了「斷流」的現象。這麼大的一條河，到了下游怎麼會乾掉呢？原因很多，主要當然是因為用得太多了。要使十三億人口都吃得飽，必須發展農業科技，而農業是一定要靠灌溉的。
各種工業也都需要水，有時候是用水來冷卻，有時候是用水來洗滌。工業愈發達，用水量也愈大。隨著人民生活水準的提升，民生用水的需求也愈來愈大。過去在窮困而乾旱的地區，洗澡是一件相當奢侈的事，但到了生活富裕的時候，誰都知道多洗澡是舒服而健康的。
臺灣每年的降雨量相當大，是世界每年降雨量平均值的三倍，但卻被聯合國認定為水資源貧乏的地區。這是為什麼呢？是因為降雨的時間不對，大部分集中在颱風雨季節，降雨的地點也不對，大部分是在山區。而且因為山勢高而河流短促，降下來的雨一下子就流到大海裡去了，可資利用的降雨量不到20％。又因為人口密度高，每人所分配到的水量還不到世界平均值的七分之一。臺灣雖然是一個缺水的地區，但過去多年來我們卻很少感覺到「缺水之苦」。這是我們水利工程人員的功勞，建了許多水庫而且管理得宜。
隨著經濟的繁榮，臺灣的水資源問題便顯得越來越嚴重了。每開發一個工業區，或是設立一個較大的工廠，都要為水源傷許多腦筋。臺灣的水資源中大部分是用在農業灌溉上。我們也許會想到，目前農業在整體經濟上所占的比例既然不高，那麼，少種一些稻田，節省下來的灌溉用水就足夠工業開發上的使用了。但是，話是不能這麼說的，因為那些稻田已經是這個島上水循環系統中的一個不可忽視的環節。灌溉到稻田裡的水，經日曬蒸發以後，是會再降落到地面上來的。如果把稻田休耕了，對整體生態系統的影響會有多大，是很難以估計的事。為了紓解水資源的困境，大家都會想到臺灣四周的大海，想到從大海中取水，這就牽涉到海水淡化的問題。
海水的淡化
海水裡大約96.5％是水，把海水裡的水取出來，在技術上並不是困難的事情。問題在於水是一種很便宜的東西，海水淡化的成本要能夠與河川、水庫中的水競爭才行。因此，海水淡化工業發達的都是一些高度缺水的地區，例如沙烏地阿拉伯、以色列、澳洲和美國的部分地區，以及自身缺少水源的新加坡和香港。在離島和海船上，也常用小型的海水淡化設備來取得淡水。
海水淡化的方法很多，已經發展成熟的可以分為兩大類：蒸餾法和利用膜的方法。發展得最完善的利用膜的方法是逆滲透法，這個方法也常用來淨化飲用水，所得到的就是所謂的逆滲透水。澎湖有一個每天生產2,000噸淡水的海水淡化廠，用的就是逆滲透法。發展得最完善的蒸餾法有多效蒸發法、多段閃沸法和蒸氣再壓縮法等，都是儘量消耗最小的能量來生產最多淡水的海水淡化法。在墾丁地區的核能三廠中，全部的淡水都是淡化的海水，用的是蒸氣再壓縮法。本文因為篇幅的關係，先把多效蒸發法作簡要的介紹，以後有機會再介紹其他的方法。
天然的淡水就是大自然用蒸餾法製造的淡化海水
所謂的蒸餾法，就是把海水加熱使其中的水分蒸發，因為海水裡溶解的鹽和其他的雜質不會蒸發，所產生的水蒸氣的純度很高，把它冷凝下來就是淡化了的海水。由前面談過的水循環看來，我們的地球實際上就是一個大型的海水淡化蒸餾器。這個大蒸餾器是用什麼來加熱呢？是用太陽，陽光的能量照射在海面上使水分蒸發。這個大蒸餾器用什麼來使水蒸氣凝結呢？就是高空和兩極地區的冷氣流。冷凝下來的水蒸氣以雨或雪的方式降落到地面上，就是免費的淡化了的海水。
用這個天然的大蒸餾器生產的淡水是免費的，因為所用的能量來自太陽，是免費的；所用的設備也是現成的，我們沒有花任何的設備費。但是，在人造的蒸餾器中就不同了。我們都知道，要使一公斤的水蒸發成為蒸氣，必須提供539大卡的熱能，就是所謂水的蒸發潛熱。這些熱能不論是來自燃料的燃燒或是電熱器中的電流，都不是免費的。在冷凝器中，水蒸氣把這539大卡的能量釋放出來而凝結為蒸餾水。這些能量被吸收到冷卻水中就不再加以利用了，變成了沒有價值的能量。這樣，用掉了539大卡的能量生產了一公斤的淡水，成本太貴了，當作工業上或是家庭中的水源，是絕對划不來的。工程師們必須想出一些降低成本的有效方法，設法充分地利用水蒸氣凝結成為液體水時所釋放出來的熱量。
多效蒸發法就是一種把蒸發一公斤水分的熱量多次地重複使用，來產生許多公斤淡水的方法。這不是一個新發明，在臺灣的糖廠裡已經用了幾十年了，只是其目的是蔗汁的濃縮，不是生產淡水。在介紹這個方法的原理之前，首先要說明一下液體的蒸氣壓力和溫度之間的關係。
沸點與壓力的關係
我們都知道，水在一個大氣壓，也就是1013毫巴的壓力之下，加熱到攝氏100度就會沸騰。在大氣壓力是700毫巴的山上，加熱到90度就會沸騰了。如果想在這麼高的山上煮飯，很不容易煮熟，因為把水加熱到90度的沸點以後，就一直沸騰，在把水燒乾以前溫度不會升得更高。水的沸點和壓力之間的關係是壓力越高，沸點也越高。（見上圖）如果我們用的是一個高壓鍋，把鍋裡的壓力調節成1450毫巴，從這個曲線就可以看出來，鍋裡的溫度可以升高到110度，在這麼高的溫度下，飯會很快地熟，肉也會很快地煮爛。
上圖中的曲線代表水的壓力和水的沸點之間的關係，也就是水的蒸氣壓力和溫度之間的關係。曲線的上方是液體的水的範圍，下方是水蒸氣的範圍，只有在曲線上的溫度和壓力之下，液體的水和水蒸氣才會共同存在，也就是液體和蒸氣的平衡狀態。在曲線上方的區域中的任何一點，例如，在L點的溫度和壓力之下，一定是液體的水，如果有一些水蒸氣的話，馬上就會凝結成為液體。在曲線下方區域中的任何一點，例如，在V點的溫度和壓力之下，一定是水的蒸氣，如果有一些液體的水的話，馬上就會蒸發成為蒸氣。
多效蒸發
加熱使海水蒸發，每產生一公斤的水蒸氣要消耗539大卡的熱量，再用冷海水把這些水蒸氣冷凝下來變成一公斤淡水的時候，這539大卡的熱量就散失到冷海水裡去了，這是很浪費的事。多效蒸發就是一種把這些熱量重複地使用，產生許多倍的淡水的方法。
我們可以用鍋爐產生蒸氣作為蒸餾的熱源，海水先進入左方（見70頁圖）的第一個蒸發器，又稱為第一效蒸發器的上方；鍋爐裡產生的蒸氣進入第一效蒸發器的下方，其間以金屬壁隔開。如果鍋爐裡產生的蒸氣的壓力是一大氣壓或1013毫巴，第一效蒸發器下方蒸氣的溫度一定是攝氏100度，可以用（見71頁圖）曲線上的A點表示。這蒸氣把熱量傳到金屬壁上方的海水中去，自己因為損失了熱量而凝結成液體再回到鍋爐裡去。鍋爐裡的水就這樣一直循環地使用。因為熱量只能從高溫傳向低溫，第一效蒸發器上方的海水溫度，一定會比下方的蒸氣要低一些，可以用曲線上的B點表示，這海水得到由下方傳來的熱量後，其中一部分便蒸發成為水蒸氣，B點的位置也顯示這些水蒸氣的壓力。這樣，在第一效蒸發器中央的金屬壁下方每凝結一公斤的水蒸氣，在其上方便可以蒸發海水中大約一公斤的水分成為蒸氣。
為了達到熱能重複使用的目的，把在第一效蒸發器裡所產的蒸氣，經過管道送到第二效蒸發器的下方，作為加熱的熱源。這時它的溫度和壓力仍然在曲線上的B點。因為熱量只能從高溫傳向低溫，所以在第一效蒸發器裡曾經蒸發過一次的海水在進入第二效蒸發器上方的時候，要把溫度和壓力降得比B點更低，例如C點。這樣，第二效蒸發器中金屬壁上方的溫度變得比下方低了一些，熱量便由下方傳向上方，使下方的蒸氣凝結為淡水，也就是淡化了的海水。同時，使上方的海水又蒸發了其中大約一公斤的水分。在第二效蒸發器中，把第一效蒸發器中所產生的蒸氣裡的熱量再利用了一次。
在第二效蒸發器上方所產生的蒸氣，經由管道流到第三效的下方，其溫度和壓力仍是在曲線上的C點；第二效上方的海水在蒸發了這些水分之後，流到第三效蒸發器的上方，流過去的時候把溫度和壓力又降低了一些，降到曲線上的D點。這時，第三效蒸發器中金屬壁上方的溫度變得比下方低了一些，熱量便由下方傳向上方，使下方的蒸氣凝結為淡水。這樣，把第二效蒸發器中所產生的蒸氣裡的熱量再利用了一次，又得到了大約一公斤淡化了的海水，同時也使第三效上方的海水又蒸發了其中大約一公斤的水分。
和第二效蒸發、第三效蒸發相同的程序又在第四效蒸發器中重複`了一遍，在其下方又得到大約一公斤的淡水，在其上方的水以及所產生的蒸氣的蒸氣壓力又降低了一些，相當於曲線上的E點。E點的溫度已經比外界海水的溫度高不了太多了，可以送到上圖中的冷凝器中，把其中的熱量傳給冷海水，自己則凝結為第四公斤的淡化了的海水。冷海水帶走的熱量和上圖左方加給鍋爐的熱量差不多，只是鍋爐所產生的蒸氣的溫度高，在右圖中的A點，可以用來做許多事，而冷海水的溫度低（右圖中的F點），所帶走的熱量已經幾乎沒有什麼利用價值了。
原料海水中大約3.5％是各種的鹽類，在一系列的蒸發器中蒸發了多次之後，其中鹽分的濃度當然會提高了許多，這些濃縮的海水便可排放到大海中去。
利用上圖中的多效蒸發法，每消耗一公斤水蒸氣中的熱量便可以得到大約四公斤淡化了的海水。讀到這裡的你也許會提出一個問題：如果我們不用四個蒸發器，而是用八個，每消耗一公斤水蒸氣裡的熱能，是不是便可以得到大約八公斤的淡化了的海水呢？答案是肯定的。但是，因為可資利用的水蒸氣的溫度（右圖中的A點）和冷海水的溫度（F點）是固定的，如果用八個蒸發器，A點和F點之間便要有八個點，每個點之間的距離便只有原來的一半，傳熱的原動力小了，速度也就慢了，如果希望在每個蒸發器中還得到同樣多的淡水，蒸氣和海水間的金屬傳熱壁的面積便要增大一倍，也就是蒸發器要比原來的大很多。因此，多效蒸發法是一個用增加設備成本來換取熱能利用效率的方法。通常，每消耗一公斤蒸氣中的能量可以得到十幾公斤淡化了的海水。
調節溫度和輸送物質的功能
水在大自然中、在工業上或是在各種生物的身體中，常扮演著兩種重要的角色：溫度的調節和物質的輸送。
液體的水在蒸發的時候和固體的冰在融化的時候都會吸收熱量，有冷卻的功能；水蒸氣在凝結為液體的時候和水在結成冰的時候都會放出能量，有加熱的功能。人在熱天或劇烈運動之後會出汗，為的就是讓汗水中的水分蒸發，吸收熱量來降低體溫。狗的皮膚上沒有汗腺，熱的時候怎麼辦呢？只好把嘴張大，吐出舌頭喘氣，讓口水中的水分蒸發來降低體溫。在前面也提到過，在地球的赤道附近，水吸收了由太陽來的熱能蒸發而成為水蒸氣，空氣裡的這些水分到了南北兩極的地區，在結為冰雪的時候又放出了熱能。這樣，才使赤道附近不會更熱，兩極地區也不會更冷。
在工業上有許多需要加熱和冷卻的地方，而水蒸氣是一種價廉而方便的加熱媒介，要溫度高些的時候就把壓力調節得高些，不需要很高的溫度時就把壓力調節得低一點。液體的水也是一種廉價而方便的冷卻劑，許多工廠，例如火力發電廠，需要大量的冷卻水。這些水在發揮了冷卻的功能之後自己變成了比較熱的水，要把溫度降下去才能循環地使用。因此，許多大工廠裡設有水的冷卻塔，讓溫度高的水從高處淋下，在淋下的途中與流動的空氣接觸，使一部分蒸發成為蒸氣被空氣帶走。這些水分在蒸發時所吸收的能量也隨著空氣被帶走了，於是剩下的水又冷卻了下來，成為可以循環使用的冷水。
在前面也提到過，天降的雨、雪在匯集成溪流江河流向大海的途中，把許多陸地上可以溶解的物質帶向大海。養分或肥料都要都要靠著水的溶解力輸送到生物身體上需要的部位，不需要的排泄物也要靠水的溶解力排出體外。在工業上，水也有類似的功能，靠著它的溶解力扮演洗滌和淨化的角色。水在一個工業或農業的生產程序中發揮了洗滌和淨化的功能之後，本身成為污水或髒水，要經過處理，把其中所溶的物質分離出來之後，才又成為可以循環使用的清潔的水。而所分離出來的溶在水中的雜質，也可以轉換為可以利用的資源。
談到這裡，我們難免會想到電鍍和養豬的廢水。這些廢水一旦排放到河川中，就成為難以處理的污染物，而在沒有排放之前加以處理，在技術上都不是很困難的事。電鍍廢水中的成分可以回收而再生為可用的資源，養豬廢水也是一樣，可以產生沼氣燃料和肥料。利用水的溶解力，我們應該讓水充分地發揮輸送、洗滌、淨化的功能，但是，如果處理不當，水也會成為把污染物擴散到河川、海洋和生活環境中的媒體。
淡水是地球上珍貴的資源，也是地面上的許多動植物，包括人類在內的命脈。淡水的供應主要是靠大自然中水的循環。整個地球實際上就是一個以太陽為能源的海水淡化的大蒸發器。近年來由於工業的發達與人民生活素質的提升，淡水的需求量日益增加。確保淡水供應的不虞匱乏，並無什麼妙法，不外是避免浪費和防止污染。海水的淡化有許多方法，而且仍在不斷的研究改進之中，但除了特殊的情況外，在生產成本上是很難與大自然所提供的「天落水」競爭的。
