CARMEn项目：一种可持续且循环利用的盐水处理系统

《Desalination》：The CARMEn project: A sustainable and circular brine treatment chain

本研究提出一种循环处理链，从反渗透产水和盐田苦卤中回收高纯度氢氧化镁、淡水及绿能。通过纳滤浓缩、反应沉淀、膜蒸馏和逆电渗析等技术，实验室验证了该方法的可行性。经济分析表明，盐田苦卤处理成本最低，但需外部水源；反渗透产水虽成本较高，但实现水循环利用。该工艺符合循环经济理念，具有环境可持续性。

　　### 解读：从盐水和盐场废液中实现镁氢氧化物、淡水和可再生能源的循环处理

随着全球人口的增长，水资源和关键矿物的需求正迅速上升，而传统的线性处理方式，如海水淡化和盐场制盐，通常会产生高盐度的废液，这些废液往往直接排放到海中。然而，这些高盐度废液中富含有价值的成分，因此探索一种循环处理方法以实现资源的高效利用变得至关重要。在这一背景下，意大利资助的CARMEn项目提出了一种创新的循环处理链，旨在从反渗透（RO）废液和盐场苦卤中回收镁氢氧化物（Mg(OH)?）、淡水和绿色能源。通过实验室规模的处理实验，该研究验证了这一循环处理方案的可行性，并开发了一个初步的工艺经济模型，用于评估一个目标年产50吨Mg(OH)?的中试工厂。

#### 工艺流程概述

CARMEn项目的核心处理流程包括多个关键单元操作，这些操作协同工作以实现资源的循环利用。首先，RO废液和NF浓缩液分别被送入反应器，通过添加碱性物质并控制pH值，实现Mg(OH)?的可控沉淀。反应器产生的固相产品随后被回收，而澄清的溶液则进入软化单元，用于去除残留的二价离子并防止后续处理单元中的结垢。经过软化处理的溶液进入电渗析（EDBM）单元，该单元利用电化学系统，通过离子交换膜和双极膜生成酸和碱溶液，这些溶液分别用于反应器的持续沉淀反应和软化树脂的再生。EDBM处理后的低盐溶液被送入膜蒸馏（MD）单元，该单元通过膜的疏水性，利用水蒸气的传输，从而回收高纯度的淡水。而最终的高盐废液则进入反向电渗析（RED）单元，通过离子迁移产生电能。整个处理链的设计旨在实现水、能量和化学品的循环利用，从而减少资源浪费和环境影响。

#### 工艺参数对性能的影响

研究指出，进料成分和操作pH值对处理性能具有显著影响。例如，盐场苦卤中Mg2?浓度约为RO废液的20倍，这使得其在循环处理中表现出最低的初始投资（CAPEX）和能量消耗（EnEx），并能实现超过99.7%的产品纯度。然而，由于需要外部水输入，这种处理方式的循环性略差。相比之下，RO废液和NF浓缩液的处理能够实现完全的循环操作，不需要外部水输入，但其产品纯度略低，大约在85%至93%之间。此外，研究发现，EDBM和MD单元是整个处理链中能量需求的主要来源，但通过将MD与废热结合，可以显著降低能量消耗，从而降低Mg(OH)?的单位生产成本。

#### 技术经济分析

在进行技术经济分析时，研究采用了简化模型，基于实验室规模的实验数据和文献数据，对不同处理条件下的系统性能进行估算。该模型考虑了CAPEX和EnEx，即初始投资和能量消耗。对于MD单元，由于其技术成熟度较低，没有明确的扩大规模实例，因此其成本估计主要基于膜的特定成本。研究还发现，EDBM和MD单元在能量消耗中的主导地位，这表明优化这两个单元的能效对于整个处理链的经济性和可持续性至关重要。此外，通过实验室数据支持的假设，如NaOH的浓度、反应器的体积和软化树脂的用量，对不同处理条件下的成本进行了计算。

#### 处理流对成本的影响

研究比较了三种不同的进料流：RO废液、NF浓缩液和盐场苦卤。其中，盐场苦卤由于Mg2?浓度高，表现出最低的CAPEX和EnEx，同时能够生产高纯度的Mg(OH)?。然而，这种处理方式的缺点在于需要外部水输入，这可能影响其循环性。RO废液和NF浓缩液虽然能够实现完全的循环操作，但它们的处理成本较高，且产品纯度较低。研究还指出，通过使用废热驱动MD单元，可以显著降低能量需求，从而减少处理成本。在实验室规模下，MD单元的能耗较高，主要由于其依赖电加热，而工业规模下，若能利用废热或其他低品位热源，则可显著提升其经济性和环境友好性。

#### 工艺优化与可持续性

研究强调了优化处理条件的重要性，包括反应pH值、NaOH浓度和膜的寿命等。例如，较高的pH值虽然有助于提高Mg(OH)?的纯度，但会增加EDBM单元的CAPEX和EnEx，因为需要更多的碱性溶液来维持反应条件。相反，较低的pH值虽然降低了软化单元的运行成本，但可能导致产品纯度下降。此外，膜的寿命对整体成本具有重要影响，膜寿命越短，CAPEX越高。因此，延长膜的使用寿命是降低处理成本的关键策略之一。

#### 环境与经济的平衡

研究还探讨了该处理链在环境和经济方面的平衡。虽然盐场苦卤处理在经济上表现最佳，但由于其需要外部水输入，其循环性有所下降。而RO废液和NF浓缩液处理虽然成本较高，但实现了完全的循环操作，从而减少了对外部资源的依赖。此外，研究指出，通过使用废热驱动MD单元，可以在不增加额外能源成本的前提下显著降低处理链的能耗，这为实现更可持续的处理方案提供了可行路径。

#### 未来展望与挑战

尽管CARMEn项目展示了从高盐度废液中回收Mg(OH)?、淡水和能源的潜力，但其在工业化应用中仍面临诸多挑战。首先，许多涉及的工艺仍处于演示阶段，需要进一步的研究以实现其工业化放大。其次，MD和RED单元在处理过程中容易受到膜污染和性能衰减的影响，这需要优化膜材料和操作条件以提高其长期稳定性。此外，虽然实验室规模下的处理链已经证明了其可行性，但工业规模下的成本和能效仍需进一步验证。

#### 总结

CARMEn项目展示了从高盐度废液中实现资源循环利用的潜力，其核心处理链能够同时回收Mg(OH)?、淡水和可再生能源。通过优化工艺参数和引入废热利用，可以显著降低处理成本和能耗，从而提高整个处理链的经济性和环境效益。然而，该处理链在工业化应用中仍需克服技术挑战，特别是在膜性能和系统稳定性方面。未来的研究应聚焦于这些技术瓶颈，以实现更大规模的可持续资源回收。