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海水資源:海洋化學資源的妙用

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。臺灣四面環海,具備開發「藍色產業」的有利條件。
 
 
 
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。
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