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1、海水淡化电化学法组员：胡一鸣（组长），张子轩，李之宁，余斌凯，易明洲，尼罗河指导老师：张天如摘要世界上淡水资源不足，已成为人们日益关切的问题。有人预言，19世纪争煤，20世纪争油，21世纪可能争水。作为水资源的开源增量技术，海水淡化已经成为解决全球水资源危机的重要途径。我们对海水淡化进行了深入的热力学研究，海水淡化至少需要外界提供下式所计算出的能量的绝对值，G= TnRln（C2/C1）其中n表示这种气体/离子的物质的量，R为气体常数，C2、C1表示反应后前海水浓度之比。我们把这个能量值称为海水淡化最低能耗，或称海水淡化理想能耗。由该式计算得到的淡化一吨海水（同时生产两倍于海水浓度的浓盐水）的
2、能耗为0.52kwh，按照目前工业电价得每淡化一吨海水需人民币0.2元。为了进一步降低海水淡化的能耗和成本，我们提出一种可能的海水淡化构想，并经过深入的研究和不断印证，我们设计出一种较成熟的海水淡化电化学方案。本方案的核心部分是根据一个特殊的化学反应5MnO22Ag2NaClNa2Mn5O102AgCl将反应材料按照电化学原理组合成一个浓差电池，从而完成对海水的淡化和盐的富集化过程。关键词：海水淡化；盐的富集化；浓差电池一、前言（一）海水淡化产业现状目前，全球海水淡化日产量约3500万立方米左右，其中80%用于饮用水，解决了1亿多人的供水问题，即世界上1/50的人口靠海水淡化提供饮用水。全球有
3、海水淡化厂1.3万多座，海水淡化作为淡水资源的替代与增量技术，愈来愈受到世界上许多沿海国家的重视；全球直接利用海水作为工业冷却水总量每年约6000亿立方米左右替代了大量宝贵的淡水资源；全世界每年从海洋中提盐5000万吨、镁及氧化镁260多万吨、溴20万吨等。海水淡化需要大量能量，所以在不富裕的国家经济效益并不高。沙特阿拉伯的海水淡化厂占全球海水淡化能力的24%。阿拉伯联合酋长国的杰贝勒阿里海水淡化厂第二期是全球最大的海水淡化厂，每年可产生3亿立方米淡水。（二）海水淡化市场分析世界上淡水资源不足，已成为人们日益关切的问题。有人预言，19世纪争煤，20世纪争油，21世纪可能争水。作为水资源的开源增
4、量技术，海水淡化已经成为解决全球水资源危机的重要途径。到2006年，世界上已有120多个国家和地区在应用海水淡化技术，全球海水淡化日产量约3775万吨，其中80%用于饮用水，解决了1亿多人的供水问题。 （三）海水淡化前沿技术目前，国际上海水淡化的先进技术主要有:反渗透法、冷冻海水淡化法、太阳能法、压汽蒸馏、低温多效、多级闪蒸、电渗析法、露点蒸发法、水电联产、热膜联产。现列举几种较为先进、较为典型、实用面较广的淡化技术。1.反渗透法通常又称超过滤法，是1953年才开始采用的一种膜分离淡化法。该法是利用只允许溶剂透过、不允许溶质透过的半透膜，将海水与淡水分隔开的。在通常情况下，淡水通过半透膜扩散到
5、海水一侧，从而使海水一侧的液面逐渐升高，直至一定的高度才停止，这个过程为渗透。此时，海水一侧高出的水柱静压称为渗透压。如果对海水一侧施加一大于海水渗透压的外压，那么海水中的纯水将反渗透到淡水中。反渗透法的最大优点是节能。它的能耗仅为电渗析法的1/2，蒸馏法的1/40。因此，从1974年起，美日等发达国家先后把发展重心转向反渗透法。 反渗透海水淡化技术发展很快，工程造价和运行成本持续降低，主要发展趋势为降低反渗透膜的操作压力，提高反渗透系统回收率，廉价高效预处理技术，增强系统抗污染能力等。2.电渗析法该法的技术关键是新型离子交换膜的研制。离子交换膜是0.5-1.0mm厚度的功能性膜片，按其选择透
6、过性区分为正离子交换膜（阳膜）与负离子交换膜（阴膜）。电渗析法是将具有选择透过性的阳膜与阴膜交替排列，组成多个相互独立的隔室海水被淡化，而相邻隔室海水浓缩，淡水与浓缩水得以分离。电渗析法不仅可以淡化海水，也可以作为水质处理的手段，为污水再利用作出贡献。此外，这种方法也越来越多地应用于化工、医药、食品等行业的浓缩、分离与提纯。3.太阳能法人类早期利用太阳能进行海水淡化，主要是利用太阳能进行蒸馏，所以早期的太阳能海水淡化装置一般都称为太阳能蒸馏器。蒸馏系统被动式太阳能蒸馏系统的例子就是盘式太阳能蒸馏器，人们对它的应用有了近150年的历史。由于它结构简单、取材方便，至今仍被广泛采用。目前对盘式太阳能
7、蒸馏器的研究主要集中于材料的选取、各种热性能的改善以及将它与各类太阳能集热器配合使用上。与传统动力源和热源相比，太阳能具有安全、环保等优点，将太阳能采集与脱盐工艺两个系统结合是一种可持续发展的海水淡化技术。太阳能海水淡化技术由于不消耗常规能源、无污染、所得淡水纯度高等优点而逐渐受到人们重视。太阳能蒸馏法就是采用简单的太阳能蒸馏器。实际上，一个大型的海水淡化项目往往是一个非常复杂的系统工程。就主要工艺过程来说，包括海水预处理、淡化（脱盐）、淡化水后处理等。其中预处理是指在海水进入起淡化功能的装置之前对其所作的必要处理，如杀除海生物，降低浊度、除掉悬浮物（对反渗透法），或脱气（对蒸馏法），添加必要
8、的药剂等；脱盐则是通过上列的某一种方法除掉海水中的盐分，是整个淡化系统的核心部分，这一过程除要求高效脱盐外，往往需要解决设备的防腐与防垢问题，有些工艺中还要求有相应的能量回收措施；后处理则是对不同淡化方法的产品水针对不同的用户要求所进行的水质调控和贮运等处理。海水淡化过程无论采用哪种淡化方法，都存在着能量的优化利用与回收，设备防垢和防腐，以及浓盐水的正确排放等问题。 （四）水电池原理原理示意 第一步 第二步第一步 充电总反应式： 5MnO22Ag2NaCl = Na2Mn5O102AgCl 阳极反应: Na+5MnO2+2e- NaMn5O10 阴极反应: Ag+ Cl-e- AgCl 第二步
9、 放电总反应式： Na2Mn5O102AgCl 5MnO22Ag2NaCl正极反应: Na+5MnO2+2e- NaMn5O10负极反应: : AgCl+e- Ag+ Cl-二、海水淡化方案设计我们对海水淡化进行了深入的热力学研究，发现在海水淡化过程中，随着淡化的不断进行，被处理的海水熵值（S）将不断减小，理想状况下被处理海水将只发生熵值减小这一过程，且整个反应过程没有化学变化，反映焓变（H）为零。我们再做经一步的假设：如果同时这个过程是可逆的，那么整个过程海水的能量变化将完全由吉布斯自由能变（G）决定。根据吉布斯亥姆霍兹方程G=HTS在整个过程中，系统的吉布斯自由能变完全等同于熵变与温度的乘
10、积的负值，即G= TS我们可以把S用更加直观的量来表示，即S=nRln（P2/P1）其中n表示这种气体/离子的物质的量，R为气体常数，P2、P1是反应后前的气体/离子分压。在水溶液中，离子的渗透压与离子浓度成正比，据此我们把上式修改为 S=nRln（C2/C1）其中C2、C1表示反应后前海水浓度之比于是我们得到系统的的吉布斯自由能变 G= TnRln（C2/C1）海水淡化至少需要外界提供上式所计算出的能量的绝对值，我们把这个能量值称为海水淡化最低能耗，或称海水淡化理想能耗。由该式计算得到的淡化一吨海水（同时生产两倍于海水浓度的浓盐水）的能耗为0.52kwh，按照目前工业电价得每淡化一吨海水需人
11、民币约0.2元。那么，我们是如何具体实现海水淡化的电化学方法呢？经过理论分析，我们发现前言中介绍的水电池具有明显的不可行性，原因如下：1.每转移1mol电子需要消耗1molAg、5molMnO2、一定量的淡水及海水，产生盐度低于海水的咸水，忽视了淡水的可利用性。2.反应物中银成本约8元/g，成本过高。 但正是这种电池中一种特殊反应的出现，使得我们在此基础上创造出一种新型的，低能耗的海水淡化方案，使海水淡化的成本再一次降低成为可能。我们发现：反应 5MnO22Ag2NaCl = Na2Mn5O102AgCl中生成了Na+的沉淀Na2Mn5O10，同时也产生了AgCl沉淀，在这个过程中海水被淡化了
12、，而在反应 Na2Mn5O102AgCl = 5MnO22Ag2NaCl中消耗了Na2Mn5O10沉淀和AgCl沉淀，生成了Na+和Cl-，海水被逆淡化，NaCl浓度增加。 这个两个过程是相反的，如果我们将两个过程的电子转移以导线连接，并串联直流电源，就组合成了一个浓差电池，这样我们就实现了在没有Ag，MnO2消耗的情况下海水的淡化过程，具体如下：总反应式 NaCl = NaCl左侧反应 2NaCl+Ag+5MnO2 Na2Mn5O10+2AgCl右侧反应 NaMn5O10+2AgCl 2NaCl+Ag+5MnO2在两电源的作用下，在左侧反应部分，Na2Mn5O10 电极与AgCl 电极释放出
13、Na+与Cl- ，在右侧反应部分，MnO2电极与Ag电极吸收Na+与Cl- ，整个反应电路电流处处相等，保证了四个电极反应转移的电荷总量相等。因此，左端每释放1 mol Na+，右端就要相应吸收1mol Cl- 。由此我们可以看出，整个反应过程没有整体的化学变化。在这个过程中，没有焓变产生，系统的能量变化只包括系统的吉布斯自由能变及电流的热效应。设充电过程的消耗总电能为W，电路发热总量为Q，有 W = TS+Q能效= TS / （TS+Q）因此本法节能的关键在于减少电路的发热量Q。为了全面检测评估本法，我们设计并进行了可行性实验。三、海水淡化的可行性实验（一）实验思路1.化学反应原理探究 实验
14、1-1为了检测水电池放电(即海水淡化中的淡化步骤)的可行性，我们以NaCl的饱和溶液(NaCl饱和溶液可以产生最大的电动势以充分进行验证性实验)设计了实验一来验证原电池Ag丨饱和NaCl溶液丨MnO2两电极间产生电动势的情况。 实验1-2为了进一步了解此反应的标准摩尔反应的化学热力学性质，我们想得到半电池MnO2+Na+-e-|Na2Mn5O10的标准电极电势。但目前，我们还没有关于半电池MnO2+Na+-e-|Na2Mn5O10的标准电极电势方面的文献，所以我们决定测量其值。2.模拟海水环境盐的富集化速率测试实验2-1为了获得对实用装置的化学动力学性质的粗略认知，我们模拟了海水淡化的实际环境
15、，但因为实验器材实用性不强，实验所得数据不代表后期具有较强实用性的装置的化学动力学性质。3.海水淡化具体方案NaCl浓差电池可行性检测 实验3-1测量并计算海水淡化NaCl浓差电池充电过程的摩尔反应电功W，并与计算得出的化NaCl浓差电池充电过程的摩尔反应焓变G比较得出能效。（二）实验过程1.实验1-1验证水电池Ag丨饱和NaCl溶液丨MnO2反应情况 图1实验目的:验证原电池Ag丨3.5%NaCl丨MnO2两电极间是否产生电动势。实验原理：为了检测水电池放电(即海水淡化中的淡化步骤)的可行性，我们以NaCl的饱和溶液(NaCl饱和溶液可以产生最大的电动势以充分进行验证性实验)设计了实验一来验证原电池Ag丨饱和NaCl溶液丨MnO2两电极间产生电动势的情况。总反应式： Na2Mn5O102AgCl 5MnO22Ag2NaCl正极反应
