综述：基于电渗析技术的咸水资源化回收促进循环产品生态系统发展

《Desalination》：Advancing water and resource recovery from brackish water through Electrodialysis-based Technologies for Circular Product Ecosystems

本综述系统评述了选择性电渗析（SED）、双极膜电渗析（BMED）和电去离子（EDI）等电渗析（ED）技术在处理非常规水源（如工业废水、海水等）方面的最新进展。文章重点分析了这些技术在高效产水的同时回收酸、碱、矿物质、营养素及特种化学品等方面的潜力，并探讨了膜材料创新、系统集成（如与反渗透（RO）、纳滤（NF）等耦合）及人工智能优化对实现水资源正效益和资源高效循环的关键作用。

　　

关键性能指标用于电驱动废水处理

电渗析（ED）及其衍生技术的性能主要受初始进料浓度、电流密度、施加电压和膜堆对数量等因素影响。关键性能指标包括离子去除率、电流效率、能耗以及水回收率等，这些指标共同决定了ED工艺在处理不同水质和回收目标物时的可行性与经济性。

选择性电渗析（SED）的性能

SED通过使用单价选择性离子交换膜（IEMs），实现了对单价离子（如Na⁺, Cl^-）与二价离子（如Ca²⁺, SO₄^2-）的高效分离。该技术已成功应用于高盐废水资源化、营养盐回收（如铵盐）、酸性化学品提取以及锂金属回收等领域。然而，离子竞争和膜结垢问题仍是其长期稳定运行的挑战。例如，在脱硫废水中，SED能有效分离氯离子和硫酸根离子。

双极膜电渗析（BMED）的性能

BMED通过在ED膜堆中引入双极膜（BPM），在电场作用下促使水分子解离产生H⁺和OH^-离子，从而能够将盐溶液（如NaCl）直接转化为相应的酸（HCl）和碱（NaOH）。除了酸碱生产，BMED还被用于从废水中回收有价值的化学品，如从胆碱氯化物中回收胆碱氢氧化物，支持多产品循环系统的构建。

电去离子（EDI）的性能

EDI结合了离子交换树脂和离子交换膜的优势，特别适用于处理低离子强度溶液，能高效去除重金属、营养盐（如氨氮）和有机酸等污染物，并支持超纯水生产和生物基化学品制备。EDI系统中的树脂床减少了浓差极化现象，提高了离子传输效率。简化版的EDI系统（如不使用阴离子交换膜）也已被开发以降低成本并实现树脂再生。

提高ED基工艺长期运行稳定性的进展

确保ED基工艺的长期运行稳定性和耐久性至关重要。当前的研究重点包括开发高性能、抗污染和抗结垢的离子交换膜，将工艺与可再生能源（如太阳能）相结合以降低能耗和碳足迹，以及通过过程优化实现资源回收。这些进步共同推动了ED技术在水资源可持续管理中的应用。

与压力驱动工艺（如反渗透RO）的利基比较

ED基工艺（如SED, BMED, EDI）和压力驱动工艺（如RO）在机理和应用上各有优势。ED基工艺基于离子在电场下的选择性迁移，更适用于高盐度水处理和同时进行资源回收。而RO依赖于压力驱动水分子通过半透膜，在制备高纯水方面应用广泛。ED通常在处理高盐废水时能耗相对较低，且更能适应水质波动，而RO则面临膜污染和浓缩液处理等挑战。两种技术的耦合（如RO-ED集成系统）能最大化水回用和资源回收效率。

材料制造创新的进展

高性能离子交换膜是ED技术的核心。研究致力于开发具有高选择性、高渗透性及优异机械和化学稳定性的膜材料。制造工艺的创新，如3D打印技术用于制备异形离子交换膜，为提高膜性能和实现规模化生产提供了新途径。

集成水与资源回收迈向循环产品生态系统

通过将ED基工艺与其他技术（如RO、NF、正向渗透FO）进行系统集成和耦合，可以实现“一水多用”和“资源循环”的愿景。这种集成系统能够从废水中回收多种产品，如金属、盐类、营养物、化学品和纯净水，支持近零液体排放（ZLD）战略。一个典型的例子是集成系统从海藻加工废水中同时回收水、酸、碱和营养素，构建循环产品生态系统。

结论

本综述系统总结了SED、BMED和EDI等ED基技术在水和资源回收方面的进展。这些技术通过膜和树脂材料的创新、系统集成以及智能化控制（如人工智能AI的应用），在实现高效水处理的同时，能够回收有价值的资源，展现出在构建水资源正效益和资源高效型系统方面的可持续路径。未来研究应聚焦于高性能膜的规模化制备、能源优化以及数字化集成，以进一步推动其实际应用。