单程电渗析与纳滤/反渗透在微咸水淡化中的能效：实验对比

《Desalination》：Energy efficiency of single-pass electrodialysis and nanofiltration/reverse osmosis for brackish water desalination: An experimental comparison

低至中等盐度苦咸水脱盐中，反渗透（RO）、纳滤（NF）与电渗析（ED）的能量效率对比研究。实验表明，ED在30%回收率下SEC（0.7-1.4 Wh/L）显著低于NF（1.8-3.2 Wh/L）和RO（2.4-3.7 Wh/L），尤其在1-6 g/L盐度时最优；典型工况下（NF/RO 10%回收率，ED 50%），ED保持稳定低SEC，而NF/RO因产水量减少导致SEC翻倍。研究揭示ED适合低盐场景，NF/RO更适合高水质要求，需优化回收率或采用混合工艺平衡能效与性能。

　　随着全球人口增长和气候变化的加剧，淡水资源短缺问题日益严峻。据估计，目前有40亿人生活在面临严重淡水资源匮乏的地区，预计到2050年这一数字可能攀升至近60亿人。淡水不仅是人类生活和工业生产的基础资源，同时也是农业灌溉、生态环境维护以及城市发展的关键因素。因此，寻找高效且可持续的海水淡化和咸水淡化技术，成为缓解水资源危机的重要方向。在众多淡化技术中，反渗透（RO）、纳滤（NF）和单程电渗析（SPED）因其在实际应用中的可行性而受到广泛关注。本研究旨在通过实验分析这三种技术在不同盐度条件下的性能表现，特别是它们在去除盐分、单位能耗（SEC）以及热力学能量效率方面的差异。

研究发现，在30%的回收率下，RO系统能够将盐度高达12克/升的咸水处理成渗透液盐度低于1000毫克/升的饮用水，而NF和SPED则分别受到10克/升和6克/升盐度的限制。这表明，RO在处理较高盐度的咸水方面具有显著优势，但其单位能耗相对较高。当回收率调整为10%时，RO和NF的单位能耗显著增加，而SPED则保持相对稳定。这一现象可能与RO和NF在低回收率下减少的渗透液产量以及相应的操作能耗增加有关，而SPED由于其操作机制的特殊性，能够在不同回收率条件下维持较低的能耗。值得注意的是，SPED在处理1–12克/升盐度的咸水时，其单位能耗显著低于NF和RO，显示出更高的能源效率。

在实际应用中，能源效率是衡量淡化技术可持续性的关键指标之一。特别是随着全球对可再生能源的重视，采用太阳能等清洁能源驱动的小型淡化系统正成为研究热点。RO系统通常需要较高的压力来克服渗透压，这导致其单位能耗较高，而SPED通过施加电势驱动离子迁移，能够在较低能耗下实现高效的盐分去除。此外，NF在低盐度条件下表现出与RO相似的性能，但在处理高盐度咸水时，其单位能耗略高于RO。这些结果强调了不同技术在特定盐度范围内的适用性差异，并为优化系统设计和选择合适的技术提供了依据。

从热力学角度来看，淡化过程的最小单位能耗（SECmin）是衡量其能量效率的理论极限。对于海水淡化，SECmin通常在1.14瓦时/升左右，而对于咸水淡化，SECmin则随盐度的增加而上升。例如，在1–20克/升的盐度范围内，SECmin的变化范围为0.03–0.65瓦时/升。这表明，不同盐度的咸水对淡化技术的能耗要求存在显著差异。因此，研究实际淡化过程中SEC与SECmin的对比，有助于评估技术的能源效率，并为实现更高效的淡化过程提供理论指导。

在实验过程中，研究团队采用了一套定制的小型NF/RO和ED系统，并与太阳能模拟器进行耦合，以模拟实际太阳能发电的条件。这些系统的设计旨在支持小型化和移动性，便于在偏远地区部署。NF/RO系统由两个不锈钢压力容器组成，分别容纳NF和RO膜模块，同时配备了预处理的超滤（UF）膜以提高系统的稳定性。而ED系统则由两组膜堆组成，分别用于处理不同盐度的水。通过调节系统参数，如回收率、膜堆电压以及泵的运行方式，研究团队能够准确地评估不同盐度条件下三种技术的性能表现。

实验结果表明，在30%的回收率下，RO的单位能耗（2.4–3.7瓦时/升）显著高于NF（1.8–3.2瓦时/升）和ED（0.7–1.4瓦时/升）。然而，当回收率调整为10%时，NF和RO的单位能耗大幅上升，而ED的能耗保持稳定。这一现象可能与RO和NF在低回收率下需要更高的压力以维持渗透液产量有关，而ED则能够通过优化电流密度和操作条件，实现稳定的能耗水平。此外，研究还发现，ED在处理低盐度咸水（如1–6克/升）时，其单位能耗显著低于NF和RO，显示出更高的能量效率。

从水处理效果来看，RO系统在30%回收率下能够实现渗透液盐度低于1000毫克/升的目标，而NF和ED则在较低盐度范围内表现出相似的性能。然而，当盐度超过一定阈值时，NF和ED的处理能力受到限制，导致渗透液盐度无法达到饮用水标准。这表明，RO在处理高盐度咸水时具有更高的适用性，但其能耗问题仍然需要进一步优化。相比之下，ED在处理低盐度咸水时表现优异，但其在高盐度条件下的处理能力有限，这可能与其膜堆的离子选择性和电流效率有关。

此外，研究还探讨了不同盐度对淡化系统性能的影响。例如，在1–12克/升的盐度范围内，RO、NF和ED的单位能耗均随着盐度的增加而上升。然而，ED的能耗增幅相对较小，特别是在低盐度条件下，其能量效率显著高于NF和RO。这表明，ED在处理低盐度咸水时具有更高的经济性和环境友好性，尤其是在可再生能源供电的条件下。然而，对于高盐度咸水，RO仍然是首选方案，因为它能够更有效地去除盐分，满足严格的水质标准。

本研究还指出了未来研究和应用中的一些关键方向。首先，优化回收率是平衡水处理效果与能耗的重要手段。对于RO和NF系统，适当提高回收率可以增加渗透液产量，但也会导致能耗上升。因此，如何在不同盐度条件下找到最佳回收率，是提升系统整体效率的关键。其次，探索ED与RO、NF的混合工艺，可能有助于在不同盐度范围内实现更优的水处理效果和能耗控制。例如，在低盐度条件下使用ED，而在高盐度条件下结合RO或NF，可以充分发挥不同技术的优势，从而提高整体系统的效率和可持续性。

最后，研究强调了实际咸水成分对淡化技术性能的影响。大多数咸水含有多种多价离子，如Ca2?、Mg2?和SO?2?，这些离子可能影响膜的性能和系统的长期运行稳定性。因此，未来的研究应更加关注实际咸水成分对淡化技术的影响，特别是在高盐度条件下，如何通过改进膜材料和系统设计来提高处理效率和降低能耗。同时，进一步优化可再生能源供电的小型淡化系统，使其能够在不同盐度条件下稳定运行，将是推动可持续水资源管理的重要方向。