卤水 (水域)

鹵水(英語:Brine,也可寫為brine water)是含有高濃度(通常是氯化鈉氯化鈣)的水性溶液。鹵水的鹽濃度從約3.5%(典型的海水濃度,與用作鹵漬英语brining食物的較低濃度類似)到約26%(典型的飽和溶解度,因溫度不同而有差異)。其由地下鹽水的蒸發而自然形成,但也會在開採氯化鈉時產生。[1]鹵水可用於食品加工和烹飪((酸性醃製)和鹵漬)、道路和其他建物的除冰,以及許多技術處理過程。鹵水也是許多工業過程的副產品(例如海水淡化),因此需要對其進行工業污水處理,之後再作適當處置,或再進一步利用(如淡水回收)。[2]

在自然界

 
一位NASA技術人員使用比重計,檢測一處位於舊金山鹽田的鹵水濃度。

在自然界中有多種方式可產生鹵水。海水經蒸發後,剩餘的流體中有濃縮的鹽分。當不同的溶解離子達到礦物(通常是石膏石鹽)的飽和狀態時,就會形成一種稱為蒸發岩,具有地質沉積物特徵。這類鹽沉積物溶解到水中,也會產生鹵水。當海水結冰時,溶解的離子會停留在溶液中,而形成一種稱為低溫鹵水的液體。根據定義,這些低溫鹵水在形成時的溫度會低於海水的溫度,累積一定的數量後會脫離冰層往下滴落,形成一種稱為鹵水冰柱英语brinicle的物體,滴落沿途會把周圍的海水凍結。[3]

鹵水泉在地表的露頭稱為“licks(鹹水泉)”或“salines(鹽水泉)”。[4]地球上不同地點的地下水中,其溶解固體含量差異很大,無論是在特定成分(例如岩鹽、硬石膏碳酸鹽、石膏、氟化物鹽、有機鹵化物硫酸鹽),或是在濃度水平方面。使用總溶解固體 (TDS) 含量作標準,為幾種地下水分類,鹵水是含有超過100,000毫克/升TDS的水溶液。[5]鹵水通常在開採油氣完井作業期間出現,特別是那類使用水力壓裂工藝作業的。

用途

烹飪

鹵水是食品加工和烹調時的常用元素。鹵漬的做法是為保存食物,或為食物調味。鹵漬中有稱為的酸性醃製做法,應用於蔬菜起司和水果。肉類類通常在鹽水中短暫浸泡英语steeping,作為醃泡的手段,或是以粗鹽塗抹,短時間後再把鹽清除,以增強魚或肉的嫩度和風味,或是延長保存時間。

氯氣生產

生產元素可透過電解鹵水(NaCl(氯化鈉)溶液)來達成。這種過程還會產生氫氧化鈉 (NaOH) 和氣 (H2)。反應方程式如下:

  • 陰極:2H+ + 2e− → H2
  • 陽極:2Cl− → Cl2 ↑ + 2e−
  • 總過程:2NaCl + 2H2O → Cl2 + H2 + 2NaOH

冷凍液

在大型製冷設備中,鹵水用作二次流體以傳輸熱能。最常用到的鹵水是以廉價的氯化鈣和氯化鈉為基底的水溶液。[6]採用鹵水是因為水中的鹽分(材料成本相對較低)可降低溶液的凍結溫度,而可大幅提高傳熱效率。按重量計,在23.3%NaCl濃度時,鹵水的最低凝固點為−21.1°C (−6.0°F)。 [6]這種溫度稱為共晶點。

由於鹽基的鹵水俱有腐蝕性,目前已被乙二醇等有機液體所取代。[7]

有些漁船會噴灑氯化鈉鹵水來冷凍漁獲。[8]鹵水最低溫度通常可達−5°F (−21°C)。而鼓風冷凍的溫度可低到-31°F (-35°C,或更低)。高價值的漁獲通常必須在比鹵水制冷低得多的溫度下保存,而需使用鼓風冷凍。[9]

水質軟化及淨化

鹵水是硬水軟化水淨化過程中運用離子交換技術的助劑。鹵水本身不參與淨水過程,而是循環使用,對裝在柱體中離子交換樹脂做再生工作。處理中的水先是流經樹脂容器,直到水被淨化到所需水平。之後再反洗樹脂容器,先去除其中累積的固體、再用濃縮替換離子溶液(鹵水)把樹脂中遭去除的離子沖走,然後再把樹脂中的濃縮溶液沖走,讓樹脂再生。[10]處理後,離子交換樹脂原先飽含處理水中的離子,通過浸泡在含有6–12%NaCl的鹵水,鹵水中的鈉離子取代樹脂上的鈣離子和鎂離子而完成再生。[11][12]另常見的例子是家用洗碗機,使用稱為洗碗機精英语Dishwasher salt的氯化鈉,可避免水垢在機器管線內聚積。

除冰

在較低溫度下,鹵水溶液可用於除冰,或是把道路/機場跑道表面的結冰溫度降低。[13]

淬火

淬火鍛造金屬(例如鋼)時所用的一種熱處理工藝。在硬化鋼材的時候,通常會使用鹵水溶液(包括油和其他物質)。使用鹵水,會提高冷卻過程和熱傳遞的均勻性。[14]

污水處理

鹵水是許多工業過程的副產品(例如海水淡化、發電廠冷卻塔、石油和天然氣開採時發生的採出水英语prodfuced water酸性礦井排水英语acid mine drainage逆滲透廢棄物、氯鹼法污水、造紙廠流出物英语effluent以及食品和飲料加工產生的廢棄物流處理)。這類鹵水除含有稀釋的鹽,還含有預處理和清潔用化學品的殘留物、殘留物反應副產物和因腐蝕而來的重金屬。

由於含污染物的鹵水具有腐蝕性和沈積物,以及具有毒性的其他化學品,會造成嚴重的環境危害。[15]

由海水淡化廠和冷卻塔生成,未受污染的鹵水可回歸海洋。但海水淡化產生的鹵水會對海洋生物和棲息地造成損害。[16]為降低此種環境影響,可用例如污水處理廠或發電廠排放口的排水將之稀釋。由於鹵水比海水重,會沉入海底,並在那兒聚積,因此需要採取能確保適當擴散的措施,例如在下水道中安裝水下擴散裝置英语Diffuser (sewage)[17]其他方法包括有在蒸發池英语evaporation pond中乾燥、注入深井以及儲存和再利用鹵水作灌溉、除冰或道路防塵的用途。[15]

處理受污染鹵水的技術包括:膜過濾工藝(如逆滲透和正滲透英语forward osmosis、離子交換工藝(例如電滲析)或蒸發工藝(例如採用蒸汽回收再壓縮英语Mechanical vapor recompression和蒸汽鹵水濃縮器和結晶器)。膜式鹵水濃縮的新方法,如採用滲透輔助逆滲透和相關工藝,屬於零液體排放系統 (ZLD) 中的一種,已開始取得進展。 [18]

成分與純化

鹵水由Na+(鈉)和Cl-(氯)離子的濃縮溶液組成。其實氯化鈉本身並不存在於水中:它完全以游離的形式存在。在各種鹵水中發現的其他陽離子包括有K+(鉀)、Mg
2
+(鎂)、Ca
2
+(鈣)和Sr
2
+(鍶)。後三者會產生問題,因為它們會形成水垢並與肥皂發生反應。除氯化物之外,鹵水中有時還含有Br−(溴)和I−(碘),而且最有問題的是硫酸鹽離子SO2−
4
。純化步驟通常包括在鹵水中添加氧化鈣以將固體氫氧化鎂和石膏 (CaSO4)沉澱,再利用過濾方式去除。之後通過分級結晶英语fractional crystallization達成進一步純化。由此產生的純化鹽稱為蒸發鹽(evaporated salt)或真空鹽(vacuum salt)。[1]

參見

參考文獻

  1. ^ 1.0 1.1 Westphal, Gisbert; Kristen, Gerhard; Wegener, Wilhelm; Ambatiello, Peter; Geyer, Helmut; Epron, Bernard; Bonal, Christian; Steinhauser, Georg; Götzfried, Sodium Chloride, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim: Wiley-VCH, 2005, doi:10.1002/14356007.a24_317.pub4 
  2. ^ Panagopoulos, Argyris; Haralambous, Katherine-Joanne; Loizidou, Maria. Desalination brine disposal methods and treatment technologies – A review. Science of the Total Environment. November 2019, 693: 133545. Bibcode:2019ScTEn.693m3545P. PMID 31374511. S2CID 199387639. doi:10.1016/j.scitotenv.2019.07.351. 
  3. ^ Brinicles: the icy fingers of death beneath the Antarctic Ocean. Guardian News. 2023-02-16 [2023-04-11]. (原始内容存档于2023-12-05). 
  4. ^ The Scioto Saline-Ohio's Early Salt Industry (PDF). dnr.state.oh.us. (原始内容 (PDF)存档于2012-10-07). 
  5. ^ Global Overview of Saline Groundwater Occurrence and Genesis. igrac.net. [2017-07-17]. (原始内容存档于2011-07-23). 
  6. ^ 6.0 6.1 Secondary Refrigerant Systems. Cool-Info.com. [2017-07-17]. (原始内容存档于2023-11-13). 
  7. ^ Calcium Chloride versus Glycol. accent-refrigeration.com. [2017-07-17]. (原始内容存档于2022-06-05). 
  8. ^ Kolbe, Edward; Kramer, Donald. Planning forSeafood Freezing (PDF). Alaska Sea Grant College Program Oregon State University. 2007 [2017-07-17]. ISBN 978-1566121194. (原始内容 (PDF)存档于2017-07-12). 
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  10. ^ Kemmer, Frank N. (编). The NALCO Water Handbook. McGraw-Hill. 1979: 12–7; 12–25. 
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  12. ^ Arup K. SenGupta. Ion Exchange and Solvent Extraction: A Series of Advances. CRC Press. 2016-04-19: 125–. ISBN 978-1-4398-5540-9. 
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  15. ^ 15.0 15.1 7 Ways to Dispose of Brine Waste. Desalitech. [2017-07-18]. (原始内容存档于2017-09-27). 
  16. ^ 5. A. Giwa, V. Dufour, F. Al Marzooqi, M. Al Kaabi, S.W. Hasan, Brine management methods: Recent innovations and current status, Desalination, Volume 407, 2017, Pages 1-23
  17. ^ Reverse Osmosis Desalination: Brine disposal. Lenntech. [2017-07-18]. (原始内容存档于2023-04-17). 
  18. ^ Novel Technology for Concentration of Brine Using Membrane-Based System (PDF). Water Today. [2019-08-31]. (原始内容存档 (PDF)于2023-04-12).