一、海水淡化

水是人类赖以生存的基本物质。人可以连续 7—10 天不进食，但不饮水却不行。要知道，人体总重量的 70％是水。

世界各国的工业化给人类带来了物质文明但也产生了负面影响。人是人类社会最宝贵的财富，但人口的猛增也给地球带来了沉重的负担。就拿水来说，由于工业的发展和人口的猛增，地球上已发生了水危机。1972 年，联合国在瑞典斯德哥尔摩召开人类环境会议，许多国家的代表在会上都提到城市缺水和水被严重污染的问题。会议纪要中也写道：“遍及世界的许多地区， 由于工业膨胀和每人消费量的提高，需水量已增加到超过天然来源的境地⋯⋯”

如果我们乘坐在宇宙飞船上，居高临下看地球，可以看到西欧最大的河流莱茵河、美国的密西西比河都受到严重的污染。再看看发展中国家，我们也无法乐观：位于南美洲属于世界第一长河并拥有最大水量的亚马孙河受到污染；被印度人敬为“圣河”的恒河，曾因受污染而导致几万人患黄疸病， 许多人因此死亡。

人口的剧增是造成水危机的又一重大原因。据科学家测算，每人每天约需饮用清洁水 5 升，加上其他生活用水，共需几百升。世界人口 1830 年是

10 亿， 1930 年是 20 亿，1960 年达到 30 亿，1975 年已有 40 亿，1990 年高

达 53 亿。预计到 2000 年，世界人口至少达 63 亿。早在 70 年代中期，世界上就已有 70％的人得不到足够、安全、卫生的水了。渐渐的将形成“水贵如油”的局面。

根本出路是什么呢？面对地球上大范围的又苦又咸的海水和所需淡水越来越少的情况，人们提出了“海水淡化”，向海洋要淡水，这是从根本上解决水危机的唯一出路。

海水能够淡化吗？其实，海水淡水早已是人们重视的一项技术。如今， 人们已掌握了多种海水淡化的方法，如多级闪蒸法、电渗析法、溶剂萃取法、冷冻法、反渗透法等。其中，反渗透法是耗能最少的一种方法，而且用它可以直接得到清洁的淡水。

反渗透海水淡化装置包括去除混浊物质的前处理设备、高压泵、反渗透装置、后处理设备、浓缩水能量回收器等。其中，最核心的装置就是反渗透装置，而这个装置中的核心又是反渗透膜。那么，什么叫反渗透？反渗透膜又是一种什么材料？这个装置为什么能把水中的盐和水分开呢？

其实，渗透现象在我们平时的日常生活中是可以观察到的。比如，我们在腌菜时总要撒上许多盐，菜腌了一段时间后便产生出不少腌菜卤，这就是因为菜细胞中的水分透过细胞膜跑了出来，同样盐分子也会跑进菜中去。我们在进行海水淡化时，需要运用到这一特点，但是，我们只想让水分子从盐中跑出来，而不带出任何盐分子，是需要一些条件的。在海水淡化时，装一容器用一膜一分为二，一边是淡水，一边是海水，在二者渗透之时，在海水上施加压力，海水中的水分渗透进膜，跑到淡水中来。而且压力越大，渗透越快。这就是反渗透法。反渗透法淡化海水就是利用反渗透的这个特性，从海水中得到淡水。在这过程中关键全在于那隔在两种水之间的膜，即反渗透膜。它能有选择地吸附一层水分子，从而远远地排斥开盐。反渗透膜上有许多很细小的孔。在反渗透压的作用下，那层水分子就通过这些小孔流向淡水一边。就这样，海水中的水分子不断地补充到膜表面上，再不断地通过小孔流向淡水，而盐被拒之“门”外。

有反渗透海水淡化厂 1000 多家，其中最大的建在位于地中海中部的马耳他。

它为这个小岛的 3.5 万居民以及来观光的旅游者源源不断地提供着清洁的淡水。

然而最初人们进行的海水淡化法却是最简便的蒸馏法。原理其实很简单，就是使海水受热汽化，再使水蒸气冷凝，从而使盐与水分离，获得淡水。其过程与自然界中海水受热蒸发，变成云雨的情况相仿。据记载，至少在 17 世纪初就已有人在帆船上使用蒸馏器用海水制取淡水了。

早期的海水淡化蒸馏装置存在一个严重的缺陷，在加热海水时需消耗大量的热能，冷凝过程中大部分热能又被冷凝器吸收，很不经济。从本世纪 50 年代起，多级闪急蒸馏法、多效蒸馏、压气蒸馏法等新方法相继问世，并不断完善，同时太阳能蒸馏法也在某些方面获得了突破性的进展。

目前技术上最成熟的蒸馏法首推多级闪急蒸馏法，它在数量和造水量上占有绝对优势。这是从本世纪 50 年代后期发展起来的一种海水淡化方法。它的出现，是海水蒸馏的一次飞跃。它最吸引人之处在于它采用了减压节能的办法。物理学中可知，液体的沸点随外界压力变化而变化，压力小了沸点就低，因而在低压下使水变成水蒸气不需加热太高的温度。闪急蒸馏法就是把海水在管路中加热，引进一个低压室中，海水迅速汽化，然后冷却得到淡水， 而冷却放出的热能又将成为使管路内海水加热的能量，这样就不需要外界提供热量，回收了热能。

多效蒸馏与多级闪急蒸馏工作流程相似，是最早问世的一种大型海水淡化系统，但由于结垢严重而一度处于停滞状态。70 年代技术改进后，它又东山再起。目前，人们已建成了日产淡水 54000 吨的大型多效蒸馏系统。

而利用太阳能蒸馏淡水，可说是对自然界中云雨产生过程的一种模仿， 最大的优点是节能。但多年来，太阳能利用率较低，产水量也不高。

目前世界上基本采用两种海水淡化方法：蒸馏和膜法，但新方法仍不断诞生。海水结冰时，取冰融化即可得淡水；还有利用一种“红树”来淡化海水等等。各种方法层出不穷，群芳争艳，不断更新，使得人类面临的水危机得到缓解，也让丰富的海洋水资源得到利用。

我们都知道，地球上拥有丰富的海水，海水中含有各种盐分，又苦又涩， 是不能食用的盐水。人们通过各种海水淡化的方法把海水变成了淡水，才能为人所食用。那么，海水可不可以直接用来浇灌庄稼呢？

长期以来，这都是一个人们很关心的问题。本世纪 80 年代，人们从红树林及其他海洋植物的生长中得到启示，提出了用海水浇灌农作物的大胆设想。他们一方面寻找可用海水直接浇灌的天然粮食作物；另一方面想借助基因工程等生物技术，培育出适于海水直接浇灌的作物新品种。

美国亚利桑那大学的研究人员，前后花费了 10 多年时间，走遍了澳大利

亚、南美洲、北美洲、中东等地的沿海区域。找到了 1000 多种可以用海水浇灌的天然植物并从中筛选出了一种可以在海水中生长的油料作物，它的名字叫比吉洛氏海莲子，代号叫“SOS—7”。这种海洋植物原来生长在海滨湿地， 形如海草，根扎得很牢，可以忍受海浪的冲击，在海水的浸泡下照样生长得很好。

1988 年，美国的研究人员在阿联酋的试验农场种植了这种油料作物并进行海水直接浇灌试验，7 个月后，比吉洛氏海莲子结出了果实。论含油量可与大豆、菊花籽相比美。蛋白质的含量也很高，可以加工成类似麦片的食物供人食用，也可以加工成家畜的饲料。近几年来，美国的研究人员在墨西哥和阿联酋等国的试验农场继续对这种作物进行大面积栽培研究，估计最近几年它便可得到推广。

我国江苏省的科技人员，也在筛选可以浇灌生长的耐盐植物。靠近河北省乐亭的渤海海滩，生长着一种可以用海水浇灌的碱蓬科植物——黄蓿，传说唐王李世民东征时，受困翔云岛，将士们尝黄蓿而生还。康熙皇帝东巡也尝过这种植物。解放前遇上水灾和旱灾，当地的老百姓以它充饥，故有“活命草”之称。黄蓿可以凉拌做馅，口感很好。据说如今身价扶摇直上，成为当地热门的绿色食品，上高档宴席，做馈赠特产，可见寻找并种植耐盐的天然植物，还大有文章可做。

一些原来在陆上栽培的农作物，是否可以利用海水进行直接浇灌呢？试验结果让人振奋。意大利人曾经报道说：用海水浇灌的面菜、甜菜，其长势很好，含糖量比用淡水浇灌的还要高；俄罗斯一些地方试验用海水浇灌苜蓿， 其产量增加了 9 倍多；日本、突尼斯等国也开展了这方面的试验；美国的一些研究人员认为，用海水特别是深层海水浇灌耐盐的农作物，由于水质纯净、病原菌少，且含有丰富的营养物质，有助于作物的生长。

寻找适于海水直接浇灌的天然植物是一种选择，而借助于植物基因工程等现代生物技术，人工培育出耐盐植物新品种则是另一种前途广阔的选择。最近，以色列的科学家利用基因工程技术，从生长在厄瓜多尔加拉帕斯

海边的一种味道苦涩且个子矮小的耐盐西红柿中，提取出耐盐的基因，并把它嵌入普通西红柿的种子中，培育出味美、个大、品种优良的耐盐西红柿新品种。这种耐盐西红柿新品种的诞生，可以说是用海水栽培农作物的一大成功。

1995 年，我国海南大学的研究人员，从生长在海滩的红树中，提出取了耐盐基因，并把这种基因植入红豆苗。结果，被植入红树耐盐基因的红豆苗用海水浇灌后，竟可以开花结果，这不能不说是一个奇迹。

另外，美国的一些科学家正在对高梁进行研究。他们认为高梁生长速度快，根须多，水分吸收快，只要解决耐盐问题，就可以采用海水进行直接灌溉。目前，他们正在利用基因工程和杂交技术培育耐盐的高梁新品种，并取得了一定的进展。

久的将来，沿海耕作的人们不用再为缺淡水而发愁，盐碱荒滩成为良田，新型的海水栽培农业将会崛起。

除农业外，海水的直接利用在工业上也日益受到重视。在工业用水中，冷却水的用量很大。人们想利用海水来代替淡水作冷却水，但其中有一系列复杂的技术问题需要解决。因为工厂的设备、管道多半是金属制品，所以首先要防止海水对设备、管道的腐蚀。经验告诉人们，海水浸泡过的铁器一下子会锈得很厉害，船上的锚链涂上沥青就是为了防止锈蚀。这是因为海水中硫酸根离子的浓度比淡水的高 10 倍，盐酸根离子的浓度比淡水的要高 330倍，这些酸根离子会对金属材料产生严重的腐蚀。对此科学家绞尽了脑汁。经过研究发现，海水中所含金属离子的种类很多，其自身都带有不同程

度的电位，因而会腐蚀设备。于是，人们想用电化学方法来防止金属腐蚀， 或采用隔绝设备面与海水的方法来保护金属设备。

经过防腐处理后，设备使用寿命就可大大延长了。然而接着又会碰到第二个关键问题，就是如何防止海生生物的附着，导致管道堵塞。于是人们就用杀虫剂杀死海水中的生物，设计过滤器来对付微小贝类。另外，也有人采用电解海水的办法，将生成的杀菌力很强的次氯酸钠注入海水吸水口，杀死海水中的细菌和微生物。

目前，海水用作冷却水的研究进展很快，日本的成就最为显著。此外， 在工业上人们还把海水直接用于生产过程，如水淬、洗涤、净化、化盐、印染等。特别是用于纺织工业的印染行业，这是由于海水中存有具促染作用的天然物质。

随着科学技术的进步，直接利用海水的范围正日渐扩大。在下一个世纪， 海水会像淡水一样，终将成为人类从事工农业生产所需要的一种重要水资源。

“白浪茫茫与海连，平沙浩浩四远边，暮去朝来淘不住，遂令沧海变桑田。”是唐代大诗人白居易对壮观潮汐的生动描写。古往今来，潮汐不但是文人雅士吟诵的对象，更因其对生产和生活的重大影响而为广大人民所注目。

潮汐的海洋，覆盖着 71％的地球表面，时而上涨，时而下落，涨时谓为潮，落时谓之汐，统称潮汐。“涛之起也，随月盛衰。”我们的祖先早在东汉时期就已认识潮汐的规律，把潮汐与月亮联系起来。不过，尽管“潮汐由月球引力引起”这一说法广为流传，它却远远不是精确的表达。若把地球月球看成一个系统，那么它们以同样的方向绕地球月球公共质心转动。这个公共质心大约在离地面 1700 公里。地球绕地月系公共质心这点转动时，使地球上每处都产生一种惯性离心力，它对地球上任何一地点都相同。另一方面， 地球还受到月球引力，而这个引力对地球上离月球距离不同的各点产生的力也不相同，于是相同的离心力和不同的引力产生的合力作用产生了海洋潮汐，我们称它为月球起潮力。同样的道理，地球和太阳的公转也会受到太阳起潮力。地球上的潮汐现象就是这样两种起潮力综合作用的结果。

潮汐的作用也是很多的，在我们人类生存的地球上，潮汐与我们有着非常密切的联系。

农业上要利用海洋潮汐控制农田用水。航海和港口建设需要考虑海潮的影响；

海洋捕捞中，掌握和应用海潮规律是获得高产的条件之一；

在大地测量方面，需要根据水位高度变化的多年观测，求得准确的平均海平面高度，喜玛拉雅山的珠穆朗玛峰海拔为 8848 米就是从平均海平面起算的；

在军事上，登陆作战、布雷及水下武器的使用也都需要考虑水位的变化和潮汐涨落规律；

现在世界上一些国家利用潮汐发电，这是潮汐能利用的一个例子。

此外，科学家还发现，海洋中的某些鱼类和海洋生物的繁殖与海洋潮汐的变化规律有着极为密切的联系，了解这方面的规律对海洋生物资源的开发是很有价值的。

当今时代科学技术迅速发展，对潮汐的研究正愈来愈受到重视，怎样开发并利用潮汐能呢？人们首先想到的是将海水涨落的水位差所具有的位能转变为动能。

早在 1000 多年前的唐代，我国人民就利用潮汐能碾磨五谷，所以说，潮汐能是人类开发最早的一种海洋动力资源。19 世纪末，德国工程师克诺布洛赫提出了建立潮汐发电站的方案，他提出在德国建蓄水池，在涨潮时蓄积海水进行发电，但未能成功。直到 1967 年，法国人才在英吉利海峡的河口，建

造了世界上第一座具有商业规模、发电量为 29 万千瓦的大型潮汐电站。它涨潮落潮时都能发电。

这一潮汐电站的成功增添了人们利用潮汐发电的信心。一年后，苏联的第一座潮汐电站投入了运转。它创造了一种称为浮动沉箱施工法的工作方法，即采用新的建筑结构，把厂房事先在船场中造好，然后运往现场，加拿大和英国的一些潮汐电站在设计上都采用了这种浮动沉箱法。

目前，全世界已建有 24 座较大型的潮汐电站，一些潮汐能丰富的国家都在进行潮汐发电的研究，开发技术也日趋成熟，建设成本有所降低。我国已先后建成了 10 余座潮汐电站，其中 1985 年建成的浙江江厦潮汐电站，功率

为 3000 千瓦，每年发电 1070 万千瓦·时。

立更多新的认识，它对人类生活和其他科学研究也将会表现出越来越明显的影响。

大海上的洪波巨浪，“力气”大得惊人，可以把万吨轮船淹没，全世界已有 100 多万艘船葬身于巨浪之中；它可以把大型的石油钻井平台推翻，从

1954 年到 1982 年的 28 年中就有 36 座石油钻井平台因遭狂风恶浪的袭击而

翻沉。历史上曾有如下的记载：英国苏格兰某地一个巨浪把重约 1370 吨的庞

然大物搬了家，移了 15 米远；法国契波格港的一股巨浪打来，居然把一块

3.5 吨重的物体像掷铅球似地掷过一座 6 米高的墙壁，抛到了墙内；⋯⋯“喜怒无常”的海浪一旦发起怒来，仿佛千万匹桀骜不驯的野马狂奔疾驰，咆哮冲撞，给人类带来灾难。

但是，一旦人类征服了海浪，就可以化害为利，让巨大的海浪能量为人类服务。

人们很早就想到驯服这头在大海里放荡不羁的“野马”了。人们看着碧波万顷的大海，很想让滚滚的波涛替人类发出电来。而实际上，波涛发电的原理虽然很简单，即利用波浪带动涡轮发电机运转发电，但要实现却还有许多技术问题。不过，研究者大有人在，许多国家都在研究波浪发电技术，提出了许许多多的设想和方案。

1898 年，法国的弗勒特切尔从用打气筒给自行车打气中受到启发，他想，既然打气筒的皮塞可以产生压缩空气，那么波浪的垂直运动是不是也可以像打气筒一样产生压缩空气流，从而带动涡轮机发电吗？为此，他设计了一种波涛能转换装置，而且还申请了专利。1910 年法国人进行了波浪发电的第一次试验，他们固定了浮标的下部，让它随波浪起伏运动，不断产生压缩空气流，以此推动涡轮机转动而发电。次年，人们建成了世界上第一座波浪发电装置。这种波浪发电装置结构简单，机械传动部件少，工作效率可达 27

％，但是发电能力很有限。目前，这种发电装置发出的电能一般为 50—60 瓦，仅能供浮标、灯塔和航标灯使用。

而对波浪发电的大规模研究是在本世纪 70 年代开始的，当第一次石油危机出现时，人们开始注意到波浪能的开发与利用价值。石油危机很快过去了， 人们对波浪发电的热情又开始下降。但是，随着能源危机的加剧，人们对波浪发电寄予了越来越大的希望。

1978—1979 年，日本海洋科学技术中心的工作人员建成了一艘世界上最大的波浪发电船“海明”号。严格地说，它并不是船，只是一个没有底部的长 80 米，宽 12 米的浮动设备。它每台机组的额定功率为 125 千瓦，总共 10

台机组的额定输出功率达 1250 千瓦，最大输出功率为 2000 千瓦，它的成功， 鼓舞了人们的信心。1985 年，日本在“海明”号附近的岸边建起了一座固定式波浪发电站，功率为 40 千瓦，采用的还是类似打气筒打气的原理。

波浪除了上下起伏运动外，在水平方向上的力量也是很强大的，这是否也可以加以利用呢？人们开始尝试，英国人取得了很辉煌的发明创造。其中最著名的是一种“点头鸭”式的波浪发电装置，因形状酷似鸭子而得名。它采用了鸭子形的凸轮，当波浪冲击“鸭体”时，由于表面的冲力大，而深水中的冲力小，所以会使鸭体抬头或低头。于是就把水平方向的力转化为了机械能，使发电机发电。在 1974 年，建成了一个由 20 多个 6 米的“点头鸭”

连在一起的波浪发电装置，直径 20 米，重 20 吨，用锚固定在 100 米深的海床上。

随之而起，挪威 1985 年在卑尔根附近建造了两座波浪发电站，一座是目

前装机容量最大、带“前港”的空腔振荡木柱波能发电站，功率为 500 千瓦；

另一座是利用上述原理建成的收敛槽聚波发电站，发电功率为 350 千瓦。目

前正在恩科勤兴建的是世界上最大的波浪发电站，其发电能力为 5000 千瓦。

海水涌进港口围墙上的排剂孔，使竖井中的水柱升高。压缩空气从竖井顶部的导管排出，竖井中水柱下降，吸入的空气驱动涡轮发电。电站建成后，其发电成本为每千瓦·时 2.8 便士。

1990 年，我国第一座试验性波浪发电站建成投产。

波浪发电虽不稳定，但它可以说是目前海洋动力资源中开发得较为成功的一种，不少人想把发电与消波结合起来，既可发电，又使海面平静，这对发展海水养殖业，改善港口船舶的停泊条件都会带来极大的好处。

波浪能是海洋能源中最丰富的一种，远远超过了潮汐能，它不消耗任何燃料，没有污染，应用前景十分光明。

海水川流不息，而这种流动通常并无固定的规律。但在一些海域里，海水却总是大规模地沿着比较固定的路径流动着，形成被人们称为海中之河的海流，就象陆上的河流一样。海流的宽度从数十干米到数百千米。最宽可达数千千米，一般流速每昼夜为 20—70 千米。在无线电通讯还没有出现之前， 航海者常利用海流这个“使者”作为传递信息的运输工具，把写好的信密封在椰子壳、瓶子里，随着海流带往远方。1856 年，有一艘大西洋航行的船就意外的发现了当年哥伦布用椰壳装着的写给西班牙国王的一份报告。

海流的流速是很强大的，而且流量也很大。所以蕴藏着巨大的能量。据估算，世界上大洋海流能的总蕴藏量为 50 亿千瓦，我国海域的海流能蕴藏量

为 0.2 亿千瓦。

海流能如此丰富，人们该如何利用它呢？既然风力可以发电，水力也可发电，甚至潮汐波涛都运用于发电上，那么海流的力量同样也可以发电。风力、水力的发电都有陆地可以依托，而茫茫大海之上利用海流发电，该用什么作为依托呢？为此，美国、日本、英国以及中国等世界上许多国家的科学家都在为解决这一难题而努力。

1976 年，美国科学家加里·斯蒂尔曼设计了一种称为“降落伞”的海流

发电装置，从名字我们就可感觉到这是一种很特别的发电装置，是用 50 只直

径为 0.6 米的“降落伞”串缚在一根 160 米长的绳子上，头尾相连，形成一个圆环，套在固定于船底的转轮上，而船则锚泊在海上。在海流的作用下， 逆流运动的“降落伞”像被大风撑起来的伞一样张开了，而顺流时的“降落伞”则被压缩，串缚“降落伞”的绳子像传动带一样，带动转轮不停地转动， 通过多级传动增速齿轮系统就可以改变转速，带动发电机发电。在墨西哥湾流流经的佛罗里达海峡中进行试验的结果表明，这座海流试验电站每天能工作 4 小时，功率为 500 瓦。它的主要优点是结构简单，造价低廉，能适应海流流向的变化，不需要附加什么特殊装置。但是，它也存在一个很明显的缺点，“降落伞”的牵引绳索很容易变形，特别是在波浪起伏剧烈或海流流向发生突然变化的时候更为严重，因此该装置很难实现大型化，尽管如此，这项试验本身却证明了一点：海流可以用来发电。

为了更好的利用墨西哥湾流这一世界上最强大的海流能量，1973 年美国的莫顿教授提出了一个宏大的方案，此方案是将一组巨型涡轮发电机，固定在海底的缆绳上，并悬浮于海中。每台涡轮发电机足有城市街区建筑群那么大，安装在一种能大量聚集海流能量的导管内，当海流通过导管时，就带动涡轮机像风车一样转动发电，通过水下电缆输入佛罗里达电网。这一方案的额定输出功率为 100 万千瓦，但不会对海流附近海域的自然环境产生任何污

染。1982—1984 年间试验结果表明，在实验机组长 110 米、管道出口直径 170

米、海水流速每秒 2.3 米时，发电功率可达 8.3 万千瓦。这项工程曾被列入

“本世纪末 12 项改造地球的伟大工程”之一，估计耗资 1300—1500 万美元。由于技术问题十分复杂，目前该项工程仍处于试验阶段。

另外，在海洋里还有一种海水流动的形式——潮流，潮流是伴随海水升降这种潮汐现象而出现的海水水平方向的流动，它不仅有流向的变化，还有流速的变化。但是，在一些地方特别是狭窄的海峡、河口处，潮流的流速就很大，具有很大的能量，据计算：当潮流速度为每秒 2 米时，在 1 平方米水

流面积上一年可得到 2 万千瓦·时左右的电力。所以，它也是一种丰富的海洋动力资源。利用潮流发电的原理与利用海流发电的原理是相似的。

当然，利用潮流发电也并非件容易的事。难题也是落脚点的问题，而且这一个落脚的地方还要受得住狂风恶浪的袭击，技术上的难度可想而知。所

进展。

我国于本世纪 70 年代开始了潮流发电技术的研究。1978 年，在舟山群岛西候门水道进行了潮流发电原理试验，当海水流速为每秒 3 米时，功率 8

千瓦的潮流发电机组每小时发电为 5.7 千瓦。我国首座 10 千瓦的海洋潮流实

验电站建于舟山群岛岱山县官山岛龟山的海域，并在 1996 年开工。

如果人们能够突破海流发电中的种种艰难，让海流发电成为大型生产， 那将从海洋的奔流不息中获取人类生存发展所需的更多的能源。