海水盐度差对海洋资源与生态环境的影响

1.盐度差能

两种浓度不同的溶液间渗透产生的势能就是盐度差能，海水和淡水之间的盐度差能属于其中的一种。盐度差能是通过半透膜以渗透压的形式表现出来。实验表明，当海水的含盐浓度为35%时，通过半透膜在海水和淡水之问可以形成2.51MPa的压力，相当256m水头。盐度差能除了渗透压的表现形态外，还有稀释热、吸收热、浓淡电位差以及机械化学能等表现形态。将海水和淡水间产生的盐度差能转换成电能的方式，称为盐度差发电。

海洋每年蒸发的水分，数量是很大的，约计有4×1013m3。

这么多的水重返海洋时，按渗透压平均为24个大气压计，所具的浓差能差不多有2.6×1010kW。海洋蒸发的水分，约有1/10是经由江河返回海洋的，因此地球上江河入海口的浓度差能的蕴藏量，为2.6×109kW。与其他类型的海洋能相比，浓度差是一种高度集中的高能量。这是盐度差能的重要特点，也是开发利用盐度差能的有利条件。和其他类型的海洋能一样，盐度差能的储量也很大，可再生，不污染环境。因此，近年来人们注意到开发、利用盐度差能的问题，并积极开展起有关的实验研究。

2.盐度差能开发原理

开发盐度差能的方法大致有两个，即盐度差发电与盐度差电池。

海洋中各处的盐度是不同的，随温度与深度而变，它的范围可从海洋表层的海水(20℃)的36‰下降到深海600m处(5℃)的35‰。在港湾河口处，由于河水进入海洋与海水相混，盐度变化最为明显。当江河的淡水与海洋的海水汇合时，由于两者所含盐分不同，在其接触面上会产生十分巨大的能量。

盐度差发电也可称为渗透压发电。所需的水头，不像水电站通过采用拦河大坝，堵塞水流通路而造成，而是通过在海水与河水之间设置的半透膜产生的渗透压形成的。其原理如图2-28所示。

图2-28　半透膜和渗透压(左为海水，右为淡水)

下面介绍几个盐度差发电的方案。

(1)水压塔式盐水发电系统

设想图2-28所示的装置中，玻璃管有足够的长度，由于渗透压的缘故，海水可以沿玻璃管上升到250m的高空。如果让上升到250m高空的海水从高处跌落回地面，那么水流的能量便足以驱动水轮机旋转，带动发电机发电。这就是盐水发电的基本设想。

在江河的入海口，淡水和海水都十分充足，只要有适当的建筑物，面积足够大的半透膜和水轮发电机设备，实现盐度差能的有效利用——盐水发电是完全可能的。图2-29是连续运转的盐度差能发电系统。该系统主要由水压塔、半透膜、水轮机、发电机、海水泵等组成。这种发电系统的工作过程是这样的：先在水压塔内充入海水，为保证水压塔内的海水保持一定的含盐浓度，在淡水通过半透膜不断向水压塔内渗透的同时，还用水泵不断向水压塔内打入海水。否则，水压塔内的水很快被稀释。因此，保持连续发电的关键是不断地用水泵向水压塔内补充海水。据计算，在连续发电的过程中，使渗透压保持10～11个大气压是适宜的，也就是说，水压塔的高度可以为100～110m。除掉泵的动力消耗、清洗半透膜等的动力消耗，大概发电系统的总效率可达20%左右，也就是，每导入1m3/s的淡水流量，可获得500kW的发电功率。

图2-29　水压塔式盐度差能发电装置

(2)压力室式盐水发电系统

为了实现盐水发电的目标，也可以不采取修建水压塔把水引入高空的办法，而采用压力室代替上述水压塔。该装置也用海水泵把海水泵入压力室，示意图见图2-30。若按渗透压为12个大气压计算，则每1kW功率所需的淡水流量约为0.000 8m3/s，或72m3/d，按现在生产的半透膜的渗透率计算，为保证1W的发电量，约需6 000m2的半透膜。参照目前半透膜的价格，发电投资太高。这是目前盐水发电遇到的主要困难。(www.xing528.com)

(3)浓差电池

浓差电池，也叫反向电渗析电池。从电化学可知，若让两个不同的电解质溶液互相接触，由于两相中离子的浓度不同，这些离子将通过接触面发生扩散。由于各种离子的移动速度并不相同，所以在接触面上发生电荷分离时，两相间产生了电位差。此电位差，使移动速度快的离子减小速度，使移动速度慢的离子加快速度，最后使通过接触面的正负电荷的移动速度相等，这时，两相间电位差的增大达到稳定状态。这个电位差称为液间电位。由于液间电位的存在，使盐度差能转换为电能。

图2-30　压力室式海洋盐度差能发电装置

海水中的主要盐类是食盐，即氯化钠(NaCl)。食盐在海水中以氯离子(Cl-)和钠离子(Na+)的形式存在的。若在海水与淡水之间，用一层只允许氯离子通过的阴离子交换膜(或只允许钠离子通过的阳离子交换膜)分隔开来，如图2-31所示。这时，海水中的氯离子便通过半透膜向淡水一侧扩散，因氯离子是带负电荷的，所以大量的氯离子不断通过半透膜向一个方向流动，就形成电流。如果在海水与淡水中分别插入电极，接通导线，两个电极间的电位差就可在电压表上看出来。这个装置就是盐度差能电池的原理。

按此原理，可在海水通道两侧，分别设置阴离子交换膜与阳离子交换膜，这样，氯离子通过阴离子交换膜向一个方向流动，钠离子通过阳离子交换膜向另一个方向流动，使电位差成倍增加，这时，如果在海水和淡水中分别插入电极，并用导线接通，就会在电压表上看到两个电极间大约有0.1V的电势。将这种装置看成是一个电池，即浓差电池。为了从这种电池取出电流，必须增大淡水的导电率，也就是减小淡水的电阻，为此还须在淡水中加入一些海水，使之含有一定的盐分，导电率就大大增加了。当淡水的含盐浓度调节到2 300ppm时，从该种电池引出的电力最大，这时两极板间的电压约0.035V，把许多个这样的电池串联起来，就能得到较高的电压，发出较大的功率。据试验，用盐度差能电池，欲获得1kW的功率约需5 000m2的半透膜。

图2-31　海洋盐度差能转换装置示意图

综上所述，盐度差能是一种颇为奇特的能量。储量大、可再生、高密度、不污染环境是其重要特点，但是在实用化方面还需做很多工作。例如，目前常用的3种半透膜，即不对称纤维素膜、不对称芳香族聚酰胺膜与离子交换膜，不论在质量上、性能上、成本上都还不能满足开发盐度差能的需要。对半透膜这一关键材料，尚需做大量的研究。

3.我国的盐度差能资源

我国疆域辽阔，江河众多，江河入海径流量巨大，在沿岸各河口附近蕴藏着丰富的盐差能资源。据有关文献记载，全部江河的多年平均入海水量为1.7×1012～1.8×1012m3，各主要江河的年入海水量为1.5×1012～1.6×1012m3。我国沿岸盐差能资源蕴藏量为每年3.94×1015kJ，理论功率为1.25×108kW。我国沿岸盐差能资源具有以下特点。

(1)资源分布不均

我国盐差能资源主要分布在长江口及其以南的大江河口沿岸，理论总功率达1.16×108kW，占全国盐差能资源总功率的92.5%。就海区而言，东海沿岸的盐差能资源最多，为8.62×107kW，占全国总量的69%；南海沿岸次之；黄海沿岸最少。

(2)沿海大城市附近资源丰富

我国的盐差能资源主要分布在经济发达、电能消耗大、能源紧缺的沿海大城市附近，如上海、广州、福州、杭州等。特别是上海和广州附近的长江和珠江河口盐差能理论功率分别为7.39×107kW和2.52×107kW，分别占全国总量的59.2%和20.2%。

(3)具有明显的季节变化和年际变化

盐差能的变化决定江河径流的变化，长江以北江河的汛期为6～9月或7～10月；长江及其以南江河的汛期，在福建中部以北多为4～7月，以南多为5～9月，海南岛的则更晚。汛期的入海水量均占全年总水量的60%以上。长江以北的江河最大、最小入海水量之比一般在5～8，注入渤海的江河的最大、最小入海水量之比更大，如黄河、海河、滦河等可达10倍甚至几十倍。长江及其以南的江河该比值相对较小，最大入海水量一般为最小入海水量的3～4倍，最大为5～6倍。这些因素都制约盐差能的时间变化。山东半岛以北的江河冬季均有1～3个月的冰封期，对盐度差能资源开发不利。