Морская вода

О.В.Мосин

Огромный слой соленой воды, покрывающий большую часть Земли, представляет собой единое целое и имеет примерно постоянный состав. Мировой океан огромен. Его объем достигает 1,35 миллиардов кубических километров. Он покрывает около 72% земной поверхности. Почти вся вода на Земле (97%) находится в мировом океане. Приблизительно 2,1% воды сосредоточено в полярных льдах и ледниках. Вся пресная вода в озерах, реках и в составе грунтовых вод составляет лишь 0,6%. Остальные 0,1% воды входят в состав соленой воды из скважин и солончаковых вод.

Ионные вещества, содержащиеся в морской воде в концентрации выше 0,001 г/кг (1 млн.д.) по весу:

Вещество - Содержание, г/кг морской воды
Хлорид-ион C1   19,35
Ион натрия Na +    10,76
Сульфат-ион SO4 2   2,71
Ион магния Mg2 +    1,29
Ион кальция Са2 +      0,412
Ион калия К +    0,40
Диоксид углерода     -    0,106
Бромид-ион Вr   0,067
Борная кислота -    0,027
Ион стронция Sr2 +    0,0079
Фторид-ион F   0,001

Морскую воду часто называют соленой. Под соленостью морской воды понимают массу (в граммах) сухих солей в 1 кг морской воды. В пределах мирового океана соленость колеблется от 33 до 37, в среднем ее можно считать равной 35. Это означает, что в морской воде содержится приблизительно 3,5% растворенных солей. Перечень элементов, содержащихся в морской воде, очень велик, однако концентрация большинства из них очень низка. В таблице указаны 11 ионных частиц, присутствующих в морской воде в концентрациях, превышающих 0,001 г/кг, т.е. 1 миллионную долю (млн. д.) по весу. Среди веществ, содержащихся в морской воде в несколько меньших, концентрациях (от 1 млн. д. до 0,01 млн. д.), имеются элементы азот, литий, рубидий, фосфор, йод, железо, цинк и молибден. В морской воде обнаружено не менее 50 других элементов в еще более низких концентрациях.

С тех пор как люди стали следить за составом океанической воды, он остается неизменным. Постоянство состава воды в мировом океане свидетельствует о равновесии между процессами поступления и удаления воды. В океаны постоянно втекает речная вода, которая имеет совершенно другой минеральный состав, чем океаническая вода. Например, выветривание горных пород приводит к появлению в речной воде алюминия, кремния, железа или кальция. В морской воде эти элементы постепенно включаются в биологический цикл или удаляются из нее в результате осаждения. Поэтому среднее содержание многих элементов в океанической воде устанавливается в результате равновесия между скоростью процессов поступления этих элементов в морскую воду и удаления их из нее. Этим и объясняется более или менее постоянный состав океанической воды.

Океан является огромной кладовой воды и многих химических веществ. В каждой кубической миле морской воды содержится 1,5 -1011 кг растворенных твердых веществ. Океан столь огромен, что если концентрация какого-либо вещества в морской воде составляет всего 1 миллиардную долю по весу, то его содержание в мировом океане исчисляется в 5-109 кг. Тем не менее океан еще мало используется как источник сырьевых материалов, поскольку стоимость извлечения необходимых веществ из воды слишком высока. Лишь три вещества получают из морской воды в промышленно широких масштабах: хлорид натрия, бром и магний.

Наиболее ценной составной частью морской воды является пресная вода. Нехватка пресной воды все больше ощущается даже в таких странах, как Соединенные Штаты, где с ежегодным уровнем осадков дело обстоит совсем неплохо. Во многих областях Соединенных Штатов потребность в пресной воде для бытовых нужд, сельского хозяйства и промышленности превышает ее имеющиеся запасы. В таких странах, как Израиль или Кувейт, где уровень осадков очень низок, запасы пресной воды совершенно не соответствуют потребностям в ней, которые; возрастают в связи с модернизацией хозяйства и приростом населения. В конце концов все человечество окажется перед необходимостью рассматривать океаны как источник воды.

Высокая концентрация солей делает морскую воду непригодной для питья и для большинства других целей. В Соединенных Штатах содержание солей в водопроводной воде, согласно требованиям органов здравоохранения, не превышает 0,05%. Это намного меньше по сравнению с их 3,5%-ным содержанием в нормальной морской воде или по сравнению с 0,5%-ным или около того содержанием в солоноватых подземных водах. Снижение содержания солей в морской воде или солоноватых водах до уровня, при котором вода становится пригодной к использованию, называется опреснением воды.

Существует множество способов опреснения воды (дистилляция, ионный обмен, обратный осмос, электродиализ), и на основе любого из них могут быть построены большие производственные предприятия. Проблема заключается в том, чтобы проводить опреснение с минимальной затратой энергии и минимальными расходами на оборудование. Это требование важно потому, что нация, которая вынуждена в большей мере полагаться на опресненную воду, должна выдерживать экономическую конкуренцию с другими нациями, располагающими более обильными и дешевыми источниками пресной воды. Такая небольшая страна, как Кувейт, расположенная на берегу Персидского залива и почти не располагающая природными источниками пресной воды, может позволить себе роскошь зависеть от опресненной воды только потому, что она извлекает большие доходы от продажи нефти.

По мере того как возрастает заселенность районов вблизи морских берегов, увеличивается потребность в опреснении морской воды. Это делает экономически оправданным превращение океанической воды в пресную воду. Самый распространённый способ опреснения морской воды – это дистилляция (см. ниже). Для опреснения морской воды также используется также ионный обмен и обратный осмос. Осмотическое давление морской воды относительно пресной воды составляет 22 атм.; поэтому, для осуществления обратного осмоса необходимо приложить к морской воде давление, превыщающее эту величину. Стоимость получения пресной воды этим способом составляет всего 1 доллар за 16000 литров воды, что делает метод обратного осмоса конкурентноспособным с другими способами получения пресной воды.

Развитие принципа обычного диализа привело к разработке метода электродиализа, который также используется для получения пресной воды. Морская вода накачивается между двумя полупроницаемыми мембранами, которые отделяют её от электродов. При пропускании тока через электроды, катионы перемещаются по направлению к катоду, а анионы – по направлению к аноду. Концентрация ионов вблизи электродов, за пределами полупроницаемых мембран, снижается за счёт прокачивания морской воды, а вода в пространстве между мембранами постепенно опресняется. Для работы установки по опреснению морской воды методом электродиализа используется напряжение 500 В и слабые токи порядка миллиампера.