從海水做鹽，需要多少海水？
― 1公斤鹽要用掉3桶水。真正辛苦的是把水蒸發掉的熱
做1公斤鹽，需要的海水大約是30公升。3桶水的量,可能比你想的少。但真正的大工程,是要把其中將近29公斤的水,變成水蒸氣蒸發掉。
海水浴回家的路上。用手指搓一搓曬乾的手臂,會掉下白色的粉末。海水裡,確實含有鹽。
那麼,在家裡的廚房把海水煮乾,能取得多少鹽呢？假設把滿滿一鍋海水,煮滾幾十分鐘。
鍋底剩下的,只有幾小匙的白色顆粒。想到瓦斯費,感覺有點不划算。
為什麼從海水取鹽這麼辛苦？理由只有2個
海水中溶解的鹽分,重量比例大約是3.4％。要取得1公斤鹽,需要約29公斤海水。也就是說,要丟掉的水,大約是想留下的東西的28倍。
丟掉水的方法,就是讓它變成水蒸氣蒸發掉。把1公斤水變成水蒸氣所需的熱,大約是把20℃的水加熱到100℃所需熱量的6.7倍。做鹽,其實是「把水蒸發掉的工作」。
把這兩點相乘,就能看出做1公斤鹽所需的熱量。也能明白以前的人在海邊做的事,究竟是為了什麼。
為了1公斤鹽,要蒸發掉多少水？
29公斤海水裡,想留下的鹽只有1公斤。剩下大約28公斤的水,全部都得變成水蒸氣。這跟把3桶水倒進鍋裡煮到乾,是差不多的工程。
如果全部用瓦斯或電力來做,熱量大約是64百萬焦耳。換算成電力大約是18千瓦時,據稱相當於一般家庭約2天的用電量。但1公斤鹽在超市只要大約一百日圓。直接煮乾海水的方法,完全不划算。
所以從古早開始,海邊製鹽都是分「兩段」進行。先讓太陽和風把水蒸發掉,做出濃鹽水（鹹水）。生火煮鹽,是在那之後的事。用圖1的拉桿,試著改變鹹水的濃度看看。
鹽田,就是收集這種「免費熱能」的裝置。把海水灑在沙上曬乾,收集附著鹽分的沙,再用海水沖洗。這樣就能做出比海水濃好幾倍的鹹水。只有煮這鹹水的最後一步,才需要用燃料。
煮乾的過程中,鍋裡發生了什麼事？
海水裡溶解的,不只是食鹽。還混有帶苦味的鎂鹽,以及石膏（硫酸鈣）的原料──鈣鹽。隨著煮乾的過程,這些成分會依固定順序出現（圖2）。
據稱,當水量減少到大約5分之1時,石膏會先以白色混濁的狀態出現。減少到大約10分之1時,食鹽的結晶才終於出現。最後留在液體裡的苦味成分,就是用來凝固豆腐的「滷水（鹽滷）」。
製鹽的師傅不會把鍋子煮到完全乾。食鹽足夠產出時,就把結晶撈起來,保留滷水較多的液體。因為如果全部曬乾,就會變成苦味很重的鹽。
成年人每天攝取的鹽,據稱大約是10公克左右。換算成海水約290公克,大約1杯半的量。也就是說,我們每天吃下的,其實是那麼多海水經過太陽或燃料曬乾、煮乾之後的結果。
日本雨量多,氣候不適合大面積鹽田。目前國內製鹽,主流做法據稱是用電力,透過薰透膜從海水中只收集鹽分,製成濃鹹水。先濃縮再煮乾的想法,跟鹽田是一樣的。
總結
1公斤鹽,需要約30公升海水。其中28公斤以上,是只能靠蒸發掉的水。把水變成水蒸氣所需的熱量很大,如果全部用燃料來補,大約會用掉家庭2天的電力。所以人類一直讓太陽和風先做這件事。
做鹽,不是收集鹽的工作,而是把水趕走的工作。
這份熱能的大半,從古早就是由太陽和風來支付。
把水變成水蒸氣所需的熱量之大,也是蓋上鍋蓋會更快煮滾的原因一文的主角。至於海水為什麼是鹹的,請看海水為什麼是鹹的;鹽遇濕氣會結塊的原理,則在糖和鹽為什麼會結塊中有解說。
- 如果沒有海水,可以用100公克水溶解3.4公克食鹽代替。
- 薰在平盤裡攤平,放在有陽光的窗邊。和同量放在小鍋以小火加熱的情況做比較。
- 觀察出現白色結晶所需的時間,以及最後留下的鹽量。兩種方式應該都只會剩下3公克多的鹽。
如果是真正的海水,快要完全曬乾之前會留下一點濕潤帶苦味的部分。這就是滷水。使用火時,請務必在旁看著,以免把鍋子燒乾。
想知道更多 ― 術語、公式與教科書的連結從國中理化到大學專業科目,明確標示這是哪個程度的內容
- 國中國中理化課教的範圍
- 高中高中「化學」「物理」課教的範圍
- 高中＋高中進階內容,或教科書專欄程度的內容
- 大學高中不教、大學專業科目（化學工程、海洋化學）的內容
- 研究連大學也還不會當作「定論」教的,研究人員正在調查中的內容
國中術語：這個現象是有名字的
- 重量百分濃度：表示溶解的物質重量佔液體整體重量的百分之幾。海水的鹽分大約是3.4％。
- 蒸發熱（氣化熱）：把液體變成同溫度氣體所需的熱量。水的蒸發熱,每公斤約2.26百萬焦耳。
- 再結晶：無法繼續溶解的物質,從液體中以結晶形式析出。把海水煮乾出現鹽,就是這個現象。
國中高中用公式驗證：1公斤鹽,需要多少海水與熱量？
從濃度的定義算出需要的海水量,再進一步算出要蒸發的水量,以及所需的熱量。最後,和先濃縮成鹹水再開始煮的情況做比較。
| 用符號寫 | m ＝ M ÷ s 、 mw ＝ m − M 、 Q ＝ L × mw |
| 用文字寫 | 所需海水 ＝ 要做的鹽 ÷ 鹽分濃度。蒸發水量 ＝ 海水 − 鹽。所需熱量 ＝ 蒸發熱 × 蒸發水量 |
| 公式的來源 | 第1式就是濃度定義本身。第2式是「鹽不會蒸發,只有水會離開」的質量守恆。第3式是每蒸發1公斤水就需要固定熱量,這是熱量收支的帳（能量守恆）。 |
| 符號 | 意義與單位 |
|---|---|
| M | 想做的鹽的重量（kg） |
| s | 鹽分濃度（重量比例。3.4％即0.034） |
| m | 所需海水（或鹹水）的重量（kg） |
| mw | 蒸發掉的水的重量（kg） |
| L | 水的蒸發熱（MJ/kg）。100℃時約2.26 |
| Q | 蒸發水所需的熱量（MJ） |
| 要做的鹽 M | 1 kg |
| 海水的鹽分濃度 s | 0.034（3.4％） |
| 水的蒸發熱 L | 2.26 MJ/kg |
| 與電力的換算 | 1 kWh 為 3.6 MJ |
| 鹽田濃縮鹹水的濃度（範例） | 0.2（20％） |
| 所需海水 m（kg） | 1 ÷ 0.034 ≒ 29.4 |
| 蒸發水量 mw（kg） | 29.4 − 1 ＝ 28.4 |
| 所需熱量 Q（MJ） | 28.4 × 2.26 ≒ 64.2 |
| 換算成電力（kWh） | 64.2 ÷ 3.6 ≒ 17.8 |
| 鹹水20％時的量（kg） | 1 ÷ 0.2 ＝ 5 |
| 鹹水20％時蒸發的水量（kg） | 5 − 1 ＝ 4 |
| 鹹水20％時的熱量（MJ） | 4 × 2.26 ≒ 9.04 |
| 燃料變成幾分之一 | 64.2 ÷ 9.04 ≒ 7.1 |
| 每日10g鹽對應的海水（g） | 10 ÷ 0.034 ≒ 294 |
直接用海水,1公斤鹽需要約64百萬焦耳（約18千瓦時）的熱量。如果先濃縮到20％,燃料大約只要7分之1。這裡省略了把水加熱到100℃所需的熱量,以及鍋子散失的熱量。實際的燃料會比這個數字更多。
高中高中＋為什麼結晶會「依序」出現
高中每種物質,在一定量的水中能溶解的上限（溶解度）是固定的。據稱食鹽在20℃時,100公克水最多能溶解約36公克,海水煮乾到大約10分之1時,就會到達這個上限。石膏（硫酸鈣）的溶解度小得多,所以會先到達上限而析出。
高中＋滷水的主要成分氯化鎂,是溶解度非常大的物質。因此會一直留在液體裡,到最後才出現。利用溶解度差異來分離物質的方法,稱為分步結晶（透過再結晶的提純）。食鹽的溶解度幾乎不受溫度影響,所以冷卻也不會析出太多,只能靠蒸發水分來取得。
大學鹽田是設計成「太陽熱蒸發裝置」的
在化學工程中,評估蒸發水分裝置的效率,看的是能節省多少「蒸發潛熱」。工廠製鹽會使用多重效用蒸發（多重效用鍋）,把蒸發出來的蒸氣熱量再用於下一個鍋的加熱,據稱能把燃料用量壓到幾分之一。鹽田的蒸發量由日照、風速、濕度決定,可用氣象學的蒸發量公式（如彭曼公式）來估算。
📖 公式推導與更深入的內容：蒸発熱（維基百科,日文） ／ 塩田（維基百科,日文）
研究還不確定的事
- 滷水成分會改變味道到什麼程度？ 有一種說法認為,鹽中殘留的少量鎂和鉀會造就「溫潤口感」,但人要感受到差異需要多少量,因個人差異很大,目前尚無定論。
- 海水的鹽分會因暖化而改變嗎？ 據稱觀測顯示,蒸發量大的海域鹽分會變得更高,降雨多的海域則會變得更淡。這種變化會如何回饋到洋流和氣候,研究仍在持續進行中。
- 結晶的形狀由什麼決定？ 在平靜的水面上,有時會形成中間是空心金字塔形的鹽結晶。蒸發速度與液體流動如何決定形狀,詳細條件至今仍在研究中。
也就是說,這篇文章的內容也是「目前已知範圍內的說明」。數字是具代表性的數值,會隨海域與季節而略有不同。
與教科書的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化一年級「水溶液」（重量百分濃度・再結晶） | 海水的3.4％、煮乾出現鹽 |
| 高中 | 物理基礎「熱」、化學基礎「溶解度」 | 蒸發熱之大、結晶出現的順序 |
| 高中＋ | 化學「固體的溶解度與分步結晶」 | 滷水最後留下的原因 |
| 大學 | 化學工程（蒸發操作）、氣象學（蒸發量） | 多重效用鍋、鹽田蒸發量的估算 |
| 研究 | 海洋化學、食品科學 | 海水鹽分的變化、鹽味的差異 |
| ― | 與生活的連結 | 滷水與豆腐、天日鹽與精製鹽、家庭電費的感覺 |
- 公益財團法人鹽事業中心（公益財団法人塩事業センター）「鹽百科（塩百科）」
- 海水 - 維基百科（日文）
- 鹽田（塩田） - 維基百科（日文）
- 鹽事業法（塩事業法,1996年制定。規範日本國內鹽的製造與流通的法律）
- 國立天文台編《理科年表（理科年表）》丸善出版（水的蒸發熱・物質的溶解度）
※本文為大眾科普解說。所列數值皆為理解原理所用的參考・概算值。海水的濃度會因海域與季節而異。實驗用火時請務必有大人在旁陪同,採集海水時請確認岸邊安全。