[科普中國]-海洋化學(xué)

學(xué)科介紹

海洋化學(xué)是海洋科學(xué)的一門基礎(chǔ)學(xué)科，主要從化學(xué)物質(zhì)的分布變化和運(yùn)移的角度，來研究海水及海洋環(huán)境中的化學(xué)問題1，故有突出的地區(qū)性特點(diǎn)。它既研究海洋中各種宏觀化學(xué)過程，如不同水團(tuán)在混合時(shí)的化學(xué)過程、海洋和大氣的物質(zhì)交換過程、海水和海底之間的化學(xué)通量和化學(xué)過程等。也研究海洋環(huán)境中某一微小區(qū)域的化學(xué)過程，如表面吸附過程、絡(luò)合過程、離子對(duì)的締合過程等。

由于海洋是一個(gè)綜合的自然體系，在海洋的任一個(gè)空間單元中，?？赡芡瑫r(shí)發(fā)生物理變化、化學(xué)變化、生物變化和地質(zhì)變化，這些變化往往交織在一起。因此化學(xué)海洋學(xué)要同物理海洋學(xué)、生物海洋學(xué)和地質(zhì)海洋學(xué)相互滲透和相互配合，才能全面地研究海洋學(xué)問題。

海洋資源化學(xué)主要研究從海洋水體、海洋生物體和海底沉積層中開發(fā)利用化學(xué)資源的化學(xué)問題。對(duì)海洋資源的開發(fā)，早期是從海水提取無機(jī)物，包括制鹽、鹵水或海水的綜合利用，比如提取芒硝、鉀鹽、溴、鎂鹽或其他含量較低的無機(jī)物；近代還研究海水淡化、海水提鈾、海洋生物天然產(chǎn)物的分離等。

此外，開發(fā)海洋的工程設(shè)施，存在一些亟待解決的化學(xué)問題，諸如金屬在海水中的腐蝕，防止生物對(duì)設(shè)備或船體的污著等，也是海洋化學(xué)所研究的內(nèi)容。

資源概況海洋化學(xué)也稱化學(xué)海洋學(xué)，它是海洋科學(xué)的四大基礎(chǔ)學(xué)科之一。海洋化學(xué)研究海洋環(huán)境中化學(xué)物質(zhì)的分布、轉(zhuǎn)移、循環(huán)的規(guī)律及其在開發(fā)利用中的化學(xué)問題。海水的成分非常復(fù)雜，全球海洋的含鹽量就達(dá)5億億噸，還含有大量非常稀有的元素，是地球上最大的礦產(chǎn)資源庫。海洋資源的持續(xù)利用是人類生存發(fā)展的重要前提，目前，全世界每年從海洋中提取淡水20多億噸、食鹽5000萬噸、鎂及氧化鎂260多萬噸、溴20萬噸，總產(chǎn)值達(dá)6億多美元。水是生命之源，世界上缺水的地區(qū)越來越多，海水淡化已成為獲得淡水資源重要的途徑，所有這些都是海洋化學(xué)要研究的，海洋化學(xué)的研究和海洋開發(fā)正方興未艾，必將越來越多的造福人類。

水荒目前已成為世界性的問題，是制約社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球用水總量每15年就翻一番，到2030年地球上將有1/3的人口面臨淡水資源危機(jī)。地球的表面雖然有71%被水覆蓋，但其中96.5%是海水，還有15%是咸水，在余下的2.5%的淡水中，又有69%是人類難以利用的兩極冰蓋。人類可利用的淡水只占全球水總量的0.77%。有人比喻在地球這個(gè)大水缸里可用的淡水只有一湯匙。合理節(jié)約用水是可持續(xù)發(fā)展的重要課題，然而，節(jié)水并不能增加淡水的總量。大量地利用海水自然而然地就成為21世紀(jì)解決淡水缺乏的主要途徑。

目前全世界對(duì)海水的利用，主要包括海水直接利用、海水淡化和開發(fā)海水化學(xué)資源三大體系。2

海水直接利用是用海水代替淡水作為工業(yè)用水和生活用水。到21世紀(jì)上半葉，隨著海洋生物污損防治技術(shù)的提高和耐腐蝕材料的進(jìn)一步發(fā)展，沿海城市的絕大部分工業(yè)冷卻水都將采用海水。海水沖廁會(huì)得到大面積推廣。 海水淡化是海水利用的重點(diǎn)，到了21世紀(jì)中葉，也許我們會(huì)看到這樣一個(gè)景象，每個(gè)島嶼或缺水的沿海城市都建有海水淡化工廠。這些工廠里大多采用蒸餾法和反滲透技術(shù)來制取淡水。到時(shí)候全世界使用的水資源中有1/5以上來自海洋。反滲透法是利用孔徑比納米還細(xì)小的半透膜濾去鹽分來制取淡水的。另外，還有人設(shè)想由于反滲透法制取淡水是在一定的壓力下實(shí)現(xiàn)的，假如把海水淡化裝置放在海底，就可以利用海水自身的壓力來獲取淡水，對(duì)海上城市或石油鉆井平臺(tái)非常實(shí)用。出海遠(yuǎn)洋只要帶一臺(tái)海水淡化設(shè)備就可以滿足船上的淡水供應(yīng)。采用蒸餾法制取淡水，主要是利用熱能來實(shí)現(xiàn)的，在有核電站和熱電廠的條件下采用這種技術(shù)可以充分利用電廠余熱大大減少能耗。海水化學(xué)資源通常是指可從海水中開發(fā)的經(jīng)濟(jì)物質(zhì)，例如食鹽。2

研究內(nèi)容在廣泛的實(shí)踐中，化學(xué)海洋學(xué)研究的內(nèi)容主要有以下四個(gè)方面：

一是海水化學(xué)；

二是海洋沉積物化學(xué)；

三是活體海洋生物化學(xué)；

四是海洋界面物理化學(xué)及與界面物相互作用的化學(xué)。

因此，化學(xué)海洋學(xué)相對(duì)于海洋學(xué)的其他分支學(xué)科來說，所描述的內(nèi)容和范圍要更多、更廣泛一些。具體來講，化學(xué)海洋學(xué)主要是研究和測定海水的同位素、元素及分子能級(jí)，或者說，它是研究海洋中有機(jī)物和無機(jī)物的組成，包括這些物質(zhì)的基本特性、來源、構(gòu)造模式，還有在海洋地質(zhì)、生物、物理、氣象等領(lǐng)域中的特殊作用。

研究人員為了有效地進(jìn)行綜合研究，從事化學(xué)海洋學(xué)的人員，它不僅必須是一個(gè)化學(xué)家，而且還必須具備海洋領(lǐng)域里的相關(guān)學(xué)科的知識(shí)。例如，物理海洋學(xué)、地質(zhì)海洋學(xué)、生物海洋學(xué)和海洋氣象學(xué)和工程等更為廣泛、更為豐富的實(shí)際知識(shí)。海洋化學(xué)家需要闡明和解釋的是，發(fā)生在一個(gè)無比巨大反應(yīng)器--海洋中的大量的、復(fù)雜的化學(xué)作用和變化過程。實(shí)際上，它包括了從海洋微生物，到鯨類在內(nèi)的無數(shù)海洋生物有關(guān)的所有生物化學(xué)變化。從宏觀的水體循環(huán)過程和混合作用，到局部海區(qū)的物質(zhì)化學(xué)變化過程。從海洋中存在著所有已知的含量非常之小，僅有水分子的百萬分之一天然元素，到種類繁多的有機(jī)大分子的形成和衰亡過程等，都是化學(xué)海洋學(xué)涉足的領(lǐng)域，因此，可以這樣說，整個(gè)海洋科學(xué)研究都與化學(xué)知識(shí)和相關(guān)的化學(xué)技術(shù)，有著十分密切的關(guān)系。這就是一般意義上的化學(xué)海洋學(xué)。

當(dāng)前，隨著研究的深入和廣泛，化學(xué)海洋學(xué)已從研究海水中元素和物質(zhì)的含量、組成、分布為主要內(nèi)容的研究，進(jìn)入到以研究元素存在形式和它的化學(xué)性質(zhì)階段，即海水化學(xué)模型研究階段；從均相水體的研究，發(fā)展到非均相界面的研究。這已成為世界許多國家化學(xué)海洋學(xué)研究的前沿。例如，國際海洋界普遍關(guān)注的海-氣界面、海底-海水界面、懸浮體-海水界面、生物體-海水界面、河水-海水界面等為主要內(nèi)容的研究，同時(shí)，人們從多維時(shí)空入手，注重對(duì)全球變化直接發(fā)生關(guān)系的海洋生物地球化學(xué)過程，以及全球海洋通量研究?，F(xiàn)代化學(xué)海洋學(xué)的研究對(duì)象，已從原有的簡單無機(jī)物，發(fā)展到比較復(fù)雜的有機(jī)物、海洋高大分子化合物、懸浮離子的沉積物，以及海洋生物及其動(dòng)植物尸體等。對(duì)研究對(duì)象來說，已從探討研究海洋的簡單化學(xué)過程，發(fā)展到多采用海洋學(xué)范圍以外的一些高新技術(shù)手段等。例如，中子活化分析、質(zhì)譜儀、X射線熒光分析、原子吸收光譜測定法、放射化學(xué)分析法等技術(shù)，都被用來確定海水的組成及理化分析。除此之外，各種各樣的分析技術(shù)和方法，也被廣泛用于海水化學(xué)成分的測定。

發(fā)展歷史國際發(fā)展1670年前后，英國玻意耳研究了海水的含鹽量和海水密度變化的關(guān)系，這是海洋化學(xué)研究的開始。1819年，馬塞特發(fā)現(xiàn)世界大洋海水中主要成分的含量之間，有幾乎恒定的比例關(guān)系。1884年，迪特馬爾發(fā)表了他對(duì)英國“挑戰(zhàn)者”號(hào)調(diào)查船在1873～1876年間所采集的77個(gè)海水樣品進(jìn)行分析的結(jié)果，進(jìn)一步證實(shí)了世界大洋海水中，各主要溶解成分的含量之間的恒比關(guān)系。1900年前后，丹麥克努曾等學(xué)者建立了氯度、鹽度和密度的測定方法。20世紀(jì)30年代，芬蘭布赫建立了海水中碳酸鹽各存在形態(tài)的濃度計(jì)算方法。英國哈維系統(tǒng)地研究了海水中氨、磷、硅等元素的無機(jī)鹽對(duì)浮游生物的營養(yǎng)作用，于1955年出版了他的《海水的化學(xué)與肥度》一書，它成為當(dāng)時(shí)關(guān)于海洋生物生產(chǎn)力的化學(xué)的經(jīng)典著作。

1959～1962年，瑞典物理化學(xué)家西倫和美國地球化學(xué)家加勒爾斯等人先后運(yùn)用物理化學(xué)原理，對(duì)海水中各類化學(xué)平衡進(jìn)行了一些定量的研究，使化學(xué)海洋學(xué)從定性描述階段逐步過渡到定量理論研究階段，初步建立了海洋物理化學(xué)的理論體系。同時(shí)，隨著對(duì)一些元素的地球化學(xué)問題的深入研究，逐漸形成了海洋地球化學(xué)，它研究海洋中各種元素的化學(xué)過程，是化學(xué)海洋學(xué)的一個(gè)重要分支。

根據(jù)1971～1980年“國際海洋調(diào)查十年規(guī)劃”，進(jìn)行了“海洋斷面地球化學(xué)研究”等一系列課題的研究，弄清了大洋中許多物質(zhì)的時(shí)空變化，提出了揭示大洋化學(xué)特征的全球模式，使化學(xué)海洋學(xué)得到新的發(fā)展。當(dāng)前進(jìn)行的“海洋瞬時(shí)示蹤劑”研究計(jì)劃，將更深入地探索海洋中的一些規(guī)律。

國內(nèi)研究海洋化學(xué)的研究，在30年代青島觀象臺(tái)有膠州灣進(jìn)行鹽度、pH、硅酸鹽等測定；40年代，朱樹屏結(jié)合海區(qū)生物生產(chǎn)力研究，在海洋化學(xué)方面作了許多研究工作。

建國后，海洋化學(xué)研究工作受到重視。50年代，開始了海洋化學(xué)的全面調(diào)查工作。1958～1960年，中國科學(xué)院海洋研究所等單位在渤海、黃海、東海和南海進(jìn)行了海水氯度、鹽度、溶解氧、pH、硅酸鹽、磷酸鹽等要素的含量和分布變化的普查工作，并對(duì)中國近海的水化學(xué)特征進(jìn)行了比較系統(tǒng)的分析研究。

80年代，青島海洋化學(xué)研究，已經(jīng)從描述性工作進(jìn)入到元素形態(tài)、遷移機(jī)制、界面通量和物質(zhì)平衡的研究，從定性研究發(fā)展到定量研究。海洋水文化學(xué)研究 海洋水文化學(xué)，是隨著海洋調(diào)查的開展而逐步發(fā)展起來的。

50年代初，結(jié)合局部海區(qū)的漁場調(diào)查，中國科學(xué)院海洋研究所和黃海水產(chǎn)研究所等單位進(jìn)行了海水營養(yǎng)鹽分析。50年代末，利用全國海洋普查化學(xué)資料，國家科委海洋組辦公室組織力量全面開展了近海水域中各種化學(xué)要素（氯度、鹽度、溶解氧、pH、磷酸鹽、硅酸鹽、硝酸鹽等）的含量、分布、變化以及其與海洋生物、水文、地質(zhì)環(huán)境的關(guān)系，總結(jié)了各海區(qū)的水化學(xué)特點(diǎn)。重點(diǎn)研究了長江口、黃河口、珠江口、膠州灣、渤海灣等重要河口和海灣的水文化學(xué)特征；研究了河口海水的化學(xué)組成、分布的數(shù)學(xué)模式；對(duì)基本化學(xué)要素的分布、變化機(jī)制作了較深入的分析研究。研究工作取得了不少成果，為物理海洋學(xué)研究和海洋資源開發(fā)提供了必要的資料。

海洋資源化學(xué)研究

60年代，中科院海洋研究所、國家海洋局一所、山東海洋學(xué)院，主要研究從海水或海水制鹽苦鹵分離、提取化學(xué)資源的技術(shù)及其有關(guān)理論問題。海水制鹽苦鹵資源綜合利用方面，已經(jīng)研究了30多種化學(xué)產(chǎn)品的提取技術(shù)和方法。其中，可工業(yè)化生產(chǎn)的有氯化鉀、溴素、硼酸、氯化鎂、硫酸鎂等10幾種。

海水提鈾的研究

60年代中期開始研究，70年代以后進(jìn)展較快。

1970年，華東師范大學(xué)"671"科研組，在國際上首先從海水中提取到30克鈾，得到了周恩來總理的高度評(píng)價(jià)。

山東海洋學(xué)院、中國科學(xué)院海洋所等單位對(duì)100多種無機(jī)和有機(jī)吸附劑進(jìn)行了篩選，選用了水合氧化鈦、堿式碳化鋅、硫化鋁、氫氧化鋁、硫酸鈦等無機(jī)吸附劑和一些離子交換樹脂等有機(jī)吸附劑進(jìn)行提鈾試驗(yàn)。此外，還開展了吸附法海水提碘、空氣吹溴和吸附提溴的研究。

海洋地球化學(xué)與物理化學(xué)研究

60年代中期，中國科學(xué)院海洋研究所等單位開展了河口硅酸鹽物理化學(xué)過程的研究。重點(diǎn)研究河口硅酸鹽含量變化及其在水合氧化物的有為附過程、海水基本物質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)，用數(shù)學(xué)模式分析硅酸鹽在河口的分布、轉(zhuǎn)移規(guī)律的數(shù)學(xué)模式等。70年代以來，開展了海洋地球化學(xué)過程的平衡與動(dòng)力學(xué)問題，不同海域沉積物中重金屬污染情況和沉積物中地球化學(xué)要素分布、變化規(guī)律的研究以及部分海底沉積物中地球化學(xué)要素分布特征的研究。還進(jìn)行了長江口水質(zhì)和底質(zhì)中營養(yǎng)鹽、重金屬和有機(jī)氯的分布特征等研究。

海洋環(huán)境化學(xué)研究

中國科學(xué)院海洋研究所等單位較早開始對(duì)中國海洋放射性元素分布變化規(guī)律的研究。80年代，中國科學(xué)院海洋研究所和國家海洋局第一海洋研究所等單位深入開展了放射性核素在海洋中的存在形式和遷移變化規(guī)律、放射性同位素稀釋因子、海水自凈能力以及放射性微量元素測定分析方法等研究。還評(píng)價(jià)了渤海區(qū)放射性污染源和污染狀況。

隨著海洋污染調(diào)查研究的進(jìn)展，海洋環(huán)境化學(xué)的研究逐步深入。中國科學(xué)院海洋研究所及有關(guān)單位研究了中國近海各種污染的含量、分布和遷移規(guī)律；通過實(shí)驗(yàn)室模擬，研究各種海洋污染物以不同形式從大氣、陸地進(jìn)入海水，埋入海底沉積層，進(jìn)入海洋生物體再返回大氣、陸地的過程和運(yùn)動(dòng)規(guī)律；污染物質(zhì)隨陸地徑流入海后的港灣、河口發(fā)生的物理化學(xué)作用等。