双极膜电渗析中试规模废盐水资源化新策略：反冲配置提升碱产量

《Desalination》：Novel approaches for valorisation of waste brines at pilot scale via electrodialysis with bipolar membranes

本研究针对最小液体排放(MLD)中双极膜电渗析(EDBM)的高水耗问题，创新性地采用盐水流体反冲(WS-BF)配置。通过中试实验发现，该配置在400 A m-2电流密度下可使碱浓度达0.92 mol L-1，能耗仅2.4 kWh kg-1，成功实现水质足迹减少与处理容量提升的双重目标。

　　

随着全球气候变化和工业化进程加速，水资源短缺已成为威胁人类发展的重大挑战。联合国数据显示，2002-2021年间干旱影响了超过14亿人口，而全球约40%人口居住在海岸线100公里范围内，这使得海水淡化技术成为解决水资源危机的重要途径。然而，传统海水淡化过程会产生高盐度的浓缩液——卤水，其排放对海洋生态环境构成严重威胁。为应对这一挑战，最小液体排放(MLD)和零液体排放(ZLD)方案应运而生，旨在通过系列处理工艺实现水资源和有用物质的回收。

在众多MLD/ZLD技术中，双极膜电渗析(EDBM)因其能够将卤水转化为具有经济价值的酸和碱溶液而备受关注。但传统EDBM工艺存在显著局限性：化学品质 compartments需要大量高纯度水作为原料，这不仅增加了运营成本，在缺水地区更成为技术推广的瓶颈。意大利巴勒莫大学研究团队在《Desalination》发表的最新研究，针对这一关键技术难题开展了开创性探索。

研究团队采用中试规模EDBM装置（活性膜面积19.2 m²，含40个三重态），系统比较了四种不同的进料方案。实验以海水反渗透(RO)产生的模拟卤水（1 mol L^-1 NaCl）为处理对象，在200-400 A m^-2电流密度范围内评估了各方案的性能指标。

关键技术方法包括：（1）采用进料-排放连续操作模式，通过调节酸、碱、盐隔室的流量比例控制产物浓度；（2）设计Water-Salt BackFlip(WS-BF)创新配置，将盐隔室出口液直接回送至酸隔室入口；（3）通过滴定法测定产物浓度，计算电流效率(CE)、比能耗(SEC)等关键性能参数。

标准进料-排放模式(WWS)性能基准

在传统水-水-盐(WWS)方案中，400 A m^-2电流密度下可获得0.53 mol L^-1酸和0.57 mol L^-1碱产物，电流效率分别为66%和72%。结果表明，高电流密度有利于提升产物浓度和电流效率，但需要优化操作条件以平衡能耗与产量。

单化学隔室卤水进料方案对比

WSS（水-盐-盐）和SWS（盐-水-盐）方案显示，在任一化学隔室引入卤水均导致产物浓度降低约15%。特别值得注意的是，两种镜像方案在性能表现上高度相似，表明卤水对酸、碱隔室的影响具有对称性。这为工艺选择提供了灵活性，可根据具体产品需求决定卤水进料位置。

双化学隔室卤水进料(SSS)的性能限制

当酸、碱隔室同时采用卤水进料时，产物浓度下降达30%，电流效率最低降至21%。这一结果证实，卤水中高盐背景会显著增加双极膜界面层的盐扩散通量，从而抑制水分解效率。尽管该方案可完全消除化学品质 compartments的水耗，但性能代价过大。

Water-Salt BackFlip(WS-BF)创新配置的优势

WS-BF配置通过将脱盐后的卤水回送至酸隔室，实现了显著性能提升。在400 A m^-2、碱流量1.0 L min^-1条件下，碱浓度达到0.92 mol L^-1，接近传统WWS方案水平，而酸产物的水足迹降为零。这种配置创新性地利用了质子高迁移率的特性，将通常损失到盐隔室的质子重新捕获利用。

研究结论表明，卤水进料方案可在特定操作条件下（高电流密度、低产物浓度）实现可观的水耗削减和环境效益，而WS-BF配置更在保持传统工艺性能的同时，显著提升了卤水处理能力。这项工作为EDBM技术在缺水地区的推广应用提供了重要技术支撑，特别是为MLD/ZLD系统中内部化学品循环利用场景开辟了新途径。未来研究将重点评估这些创新方案的经济可行性，并探索WS-BF配置的镜像形式（盐隔室-碱隔室直连）的潜在优势。