专利名称：深海海水取矿法的制作方法
技术领域：
本发明涉及深海海水取矿法，是一种从海水提取矿物质的方法。
目前，从海水这样一座巨大的矿藏宝库中提取矿物质，通常只是在海面水域或浅海域进行，如用海面海水制盐、制卤等。
其存在的不足是海面海水矿物质浓度很低，提取矿物质时要大加浓缩，极为费时费力，所得矿物质量也十分有限，利用价值不高。
本发明的目的是发明一种从含矿物质浓度较高的海水中提取矿物质的深海海水取矿法，以大力开采海水矿藏资源。
为实现上述目的，本发明采用以下的技术方案深海海水取矿法，是一种从海水提取矿物质的方法，其特点是它是从深度大于2千米的深海海水中提取矿物质的。
由于采取了上述的技术方案，本发明与已有的技术相比，具有涉取的海水矿物质浓度高、提取矿物质容易、取得的矿物质量大、价值高等优点。
其依据在于根据化学热力学原理，由于重力场的作用，海水总是越往深处，其矿物浓度越高。可用公式表示如下C=Coexp(γmgH/RT)或C/Co=exp(γmgH/RT)上式中各符号的意义分别如下C—深海海水的矿物浓度Co—海面海水的矿物浓度exp—自然指数函数符号γ—修正系数m—矿物质摩尔质量g—重力加速度H——海水深度R———气体常数T———海水温度其中修正系数γ代表重力场中实际浓度分布偏离理想浓度分布的程度，与矿物质和海水的组成及性质、海水深度、温度等有关，可以由实验确定，在海水深度不是很大的情况下近似视为1，m通常在60-200g/mol即0.06-0.2kg/mol之间，可取m=0.08kg/mol计算，g=9.8m/s2,R=8.31J/mol。Ｋ,T取298K，代入公式计算得H=2千米处的C/Co≈2，当H＞2千米时，有C/Co＞2。
可见在H＞2千米的深海海水中，矿物浓度已明显高出海面海水，更具开采价值，因此要从这样的海水中提取矿物质。根据公式海水深度H越大，及矿物质摩尔质量m越大，或者说矿物质组成元素越“重”，浓度比C/Co也越大，这说明在深海域富集着“重元素”，由此可知可以由深海海水大量提取贵重元属，甚至可以尝试从中寻找根据目前的元素周期理论得出但久未发现的所谓“超重元素”。太平洋的马里亚那海沟，深处达11千米，根据公式计算那里的贵重元属离子浓度比海面海水可高出成千倍，其余矿物质含量也相当高，应是实施本技术的首选场所。
下面结合附图，对本发明实施例作进一步详细说明。
图1是本发明实施例情形示意图。
图1示出了本发明实施例的三种情形A型、B型、C型。这三种情形都是从深度H大于2千米的深海海水W中提取矿物质的。
A型是不取水提取矿物质的情形，它是将提取海水矿物质的装置放入到深度大于2千米的深海海水中来从中提取矿物质的。
在图1所示的实施例中它是在海水取矿船1上用缆绳2吊放交换器3到深海海水W中，依靠交换器3内装的交换剂4将深海海水W中的矿物质吸收下来而取得矿物质的。交换剂4可采用离子交换树脂或微型活泼金属颗粒等能吸收海水矿物质但不溶于水的化学试剂制作，因此交换器3实际上是一个化学反应器。
B型、C型都是将深海海水W取出到海面再从中提取矿物质的情形。
其中B型是用一个大水箱5在深海区装满深海海水W后密封再吊出到海面以从中提取矿物质的。它是一种间歇取水取矿的方式。为此水箱5必须设计一种由海面下沉时上下两底面为敞开式因而下降阻力极小直至深海区装满深海海水W才密封的结构。
C型则是采用一支由海面直通到深海海水W中的水管即深海管7，将深海海水W顺沿此管道抽出到海面再从中提取矿物质的，它是一种连续取水取矿的方式。
A型的交换器3、C型的深海管7中都安装有抽动深海海水的深水泵6(由海面上的采矿船通过捆扎在缆绳2或深海管7上的电缆给其供电)，深海管7的进水口8可采取喇叭型或其他类似散开型即化学上所谓的广口型设计以尽量使进入管道中的海水来自进水口8周旁的深海区而非管口之上的浅海域，深海管7的管道支架简称管架9，可采用已有的深海采油海上平台，相应深海管7可采用已废弃不用的深海采油管道。
实际情况中由于海水深度方向存在对流，浅层低浓度海水流入深海将致使深海海水矿物浓度低于前述公式理论计算值，而在海底有火山等活动的地方，如大洋中脊一带，由于火山口在不停地向海水中喷发矿物质，其深海海水中的矿物浓度可能高于前述公式理论计算值。实际应用中，可对某一区域海水先作深度调查及海底活动等调查，再作深海海水的取样检验确定其矿物的实际含量及开采价值，并决定开采方式。
具有开采价值的深海海水，根据化学平衡原理，那里的海泥11通常含矿量也较高，如果条件许可，可先用打捞法等提取海泥矿物质，再实施本技术。
按A型、B型情形实施本技术时，投资小、见效快；按C型情形实施本技术，投资大、技术难度大，因此，采用时要十分谨慎。按C型实施时，除非有已建成并采油完毕、废弃不用的深海采油海上平台可供使用，一般不采用建海上平台的办法来构筑管架9，而是将深海管7直接安装到海面上的大型采矿船10上，用大型采矿船10作深海管7的活动管架。
深海管7既可采用刚性材料制作，也可以采用柔韧性材料制作成软管，后者有可折叠、卷绕、便于贮存和使用等优点，当用大型采矿船10作深海管7的活动管架时，尤其需要使用这种软管。
在A型中，有一种比较先进、有效的方法，值得特别说明一下，这就是深海电解取矿法，它是采用电解槽、电解电源等电解设备作为其提取海水矿物质的装置，用直接在深海处电解深海海水的方法来提取其中矿物质的。其突出优点有它不需要使用交换剂(4)，只需要有电解电流就能够进行，因此提取矿物质的成本低廉；电解电流可以根据使用需要设置得很大，以大电流电解就可以从深海海水中大规模、迅速提取大量矿物质；在深度很大的深海海水中，贵重元素的含量明显升高，采用这种方法将能够从深海海水中获取大量贵重元素。另外，使用的设备是电解设备，结构比较简单，技术比较成熟，设备造价较低，也是本法的一个显著优点。由于具有这些优点，使得其能成为所有深海海水取矿法中晶具有吸引力的方法之一。
下面结合附图，对其实施例作进一步说明。
图2是其实施例结构示意图。
如图2所示，它是在深度H大于2千米的深海海水W中使用深海电解槽20、深海电解电源17等电解设备作为其提取海水矿物质的装置，用直接电解深海海水W的方法来提取海水矿物质的。电解电源17封装在隔水的密封容器18内，密封容器18与电解槽20连成一体，由采矿船12使用缆绳13将其吊放到深海海水W中，电解槽20的阳极22、阴极23采用绝缘电缆连接在电解电源17的直流输出端上，电解电源17输入端按在由采矿船12上引下来的电缆14(通常是捆扎在缆绳13上)上并由其供电，在其输出端即可得到电解用直流电，传输到电解槽20的两极22、23上，由于电解槽20上有进水口25与海水W保持连通，于是海水W充满其中构成电解液，如此即可发生电解作用，海水中能被电流还原的金属、半金属(硒、碲等半导体元素)离子即在阴极23上被还原并沉积在阴极上，因此电解时阴极重量或电解设备总重会不断增加(阳极22采用隋性材料制作，电解时重量基本不变)。电解槽20进水口25处设有深水泵24，由电缆14供电，转动时可以抽动海水由进水口25向出水口21流动，促进电解槽20内电解液不断更新，使得金属离子在阴极的电解沉积能持续不断地进行。电解时，电解电流、电压的调控可由在采矿船12上调控电缆14的输入电压来实现。
由于深海海水富含“重”元素，因此使用本法在阴极23上将主要得到重金属，又因金(Au)、铂(Pt)等贵重金属析出电位较高，将在阴极上优先析出，因此电解时将在阴极优先获得这些贵重金属。析出电位与金属离子在电极材料上的过电位有关，为选择性地获得贵重金属，可使用贵重金属离子在其上析出过电位较小的贵重金属活性电极作阴极，如镍基或镀镍阴极等；为获得铀(U)等活泼贵重金属，可采用液态金属电极作阴极；为降低阴极电流密度以提高其电流效率。可使用大面积阴极，它可采用多层金属丝网电极或多层液态金属电极按中间间隔一段距离叠合组成(液态金属电极应当水平放置)“立体阴极”。
电解时阳极将有卤素单质生成，如碘、溴等，可将电解槽出水口21用管道连通到一个装有卤素单质回收剂(可以是吸附剂、萃取剂、化学反应试剂等)的容器中，使这些阳极产物随海水流过其中的回收剂时得以回收。
电解电源17由整流器26、滤波器27、次级线圈28、铁芯29、初级线圈30等元件组成。这些组成元件都封装在密封容器18内，密器18内充装着防水油19，它是不溶于水的油类物质，容器18上设有两端连通海水W与防水油19的活塞管16，活塞管16内装活塞15，起隔离海水W并维持密封容器18内防水油19的压力与密封容器外海水W的压力的平衡的作用，这对于保证电解电源17不受海水影响而正常工作及密封容器18不因承受深海海水的巨大压力而发生扭曲变形都是至关重要的。另外，防水油19密度通常比水小，这使得盛装防水油的密封容器18在水中还能产生一定浮力，减轻电解设备的总重，使得其使用起来更轻便，因此密封容器18还兼有浮力装置的作用。当然，这种浮力装置也可以另行独立设置和使用，它由于能保持装置内外压力平衡，因而器壁不用做得很厚，重量轻，制造技术难度不大，成本低，可以广泛设置和使用在各种水下设备上以减轻其重量，使得其操作使用更为轻便。本发明中使用的各种水下设备包括缆绳一般都需要设置浮力装置来减重，就广泛使用了这种结构的浮力装置。
值得一提的是，本发明中使用的深水泵(6、24)，其马达也可以使用具有密封容器18一样结构(19,15,16)的容器来密封保护(但须注意马达转轴需通过一个密封的孔伸出到容器外以带动深水泵的叶轮转动)，以适应深水工作需要。另外，在上述A型的实施例中，可以不设深水泵，而直接采用开动采矿船(1、12)以拖拽交换器(3)、电解槽(20)在海水中行进的办法来实现装置(3、20)内海水更新。
上述的采矿船(1、10、12等)，作为一种用来从海水提取矿物质的海船，由于它是从深度大于2千米的深海海水中提取矿物质的，因此通常被称为深海海水取矿船。它可以由在海轮上装设上述的深海海水取矿器材、设备(2、3,5,7,13、14、17、20等)构造而成，还可以将现行的卤水化工设备装设其中以协助提取、分离深海海水矿物质。
权利要求
1.深海海水取矿法，是一种从海水提取矿物质的方法，其特征是它是从深度大于2千米的深海海水(W)中提取矿物质的。
2.如权利要求1所述的深海海水取矿法，其特征在于它是将提取海水矿物质的装置放入到深度大于2千米的深海海水(W)中来从中提取矿物质的。
3.如权利要求2所述的深海海水取矿法，其特征在于它采用内装能吸收海水矿物质但不溶于水的化学试剂(4)的化学反应器(3)作为其提取海水矿物质的装置。
4.如权利要求2所述的深海海水取矿法，其特征在于它采用电解槽(20)、电解电源(17)等电解设备作为其提取海水矿物质的装置。
5.深海电解电源(17)，包括初级线圈(30)、铁芯(29)、次级线圈(28)、滤波器(27)、整流器(26)等组成元件，其特征在于它是将这些组成元件封装在内部充装着防水油(19)的密封容器(18)内的，在该容器(18)上设有能维持容器内外压力平衡的结构(15,16)。
6.如权利要求1所述的深海海水取矿法，其特征在于它是将深海海水(W)取出到海面再从中提取矿物质的。
7.如权利要求6所述的深海海水取矿法，其特征在于它是用一个水箱(5)将深海海水(W)封装后取出到海面的。
8.如权利要求6所述的深海海水取矿法，其特征在于它是采用一支水管(7)将深海海水(W)抽出到海面的。
9.如权利要求8所述的水管(7)，其特征在于它采用柔韧性材料制作，可折叠、卷绕。
10.一种浮力装置，是一个在水中能产生浮力的密封容器(18)，其特征在于容器内充装着密度小于水的防水油(19)，并设有能维持容器内外压力平衡的结构(15,16)。
11.一种深水工作的马达，是使用一个密封容器来密封的，其特征在于容器内充装着防水油(19)，并设有能维持容器内外压力平衡的结构。
全文摘要
本发明涉及深海海水取矿法，是一种从海水提取矿物质的方法，适用于海水矿藏资源的开采利用。其特点是它是从深度大于2千米的深海海水中提取矿物质的。与已有的技术相比，具有涉取的海水矿物质浓度高、提取矿物质容易、取得的矿物质量大、价值高等优点。
文档编号E21C50/00GK1237677SQ9812170
公开日1999年12月8日 申请日期1998年12月11日 优先权日1997年12月13日
发明者王卫军 申请人:王卫平