基于替代模型的优化分析及超浓缩盐水处理链的放大研究——以实现可持续矿物回收

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《Desalination》：Surrogate-based optimization analysis and scale-up of an ultra-concentrated brine pilot treatment chain for sustainable mineral recovery

【字体：大中小】 时间：2025年11月26日 来源：Desalination 9.8

编辑推荐：

　　海水苦咸卤处理链通过机器学习模型与优化框架实现镁高效回收，工业级成本降至0.40-0.45欧元/千克，水足迹低于0.1立方米/千克镁羟基氧化物，验证了循环经济中废卤资源化潜力。

　　
海水资源中镁的高效回收与循环经济实践探索

摘要：
本研究针对盐works废液（即盐渣水，bittern）中镁资源的高效回收与资源化利用展开系统性研究。通过构建包含超滤（UF）、离子交换、电渗析（EDB）及镁羟基沉淀（Mg(OH)?）等关键工艺环节的完整处理链，结合机器学习技术开发的数字化孪生模型，成功实现了镁回收工艺的优化升级。实验数据显示，在50吨/年的中试规模下，镁羟基沉淀物生产成本可降至1.58欧元/公斤，单位能耗3.83千瓦时/公斤，且整个过程实现水资源闭环循环，单位产品耗水量低于0.1立方米/公斤。

研究创新性地将过程系统工程（PSE）理论与机器学习方法深度融合。通过构建基于实际中试数据的全局数字化孪生模型，成功解决了传统工艺优化中存在的计算复杂度高、参数耦合性强等难题。敏感性分析表明，进水镁浓度（±10%）、电渗析膜堆压差（±15%）、pH调节剂投加量（±0.2）是影响系统性能的关键参数。经济评估显示，处理规模扩大至5000吨/年时，单位成本可进一步降低至0.40-0.45欧元/公斤，验证了规模效应带来的显著经济效益。

在技术路线设计方面，研究团队构建了五级递进式处理链：首先通过陶瓷膜超滤系统去除悬浮物和胶体颗粒，确保后续工艺的稳定性；接着采用模块化离子交换系统实现镁离子选择性富集，同时去除重金属等有害物质；第三阶段通过新型双极膜电渗析装置实现镁离子的高效迁移与盐分分离；第四步采用可控结晶反应器（Mg-CGCR）优化沉淀形态，提升产品纯度；最终通过分级洗涤系统获得符合工业标准的Mg(OH)?产品。

环境效益方面，整个处理链实现了水资源的闭环利用，通过多级蒸发结晶和反渗透技术，使废水回用率达到92%以上。相比传统镁提取工艺，该方案的水足迹降低78%，碳排放减少65%，特别是在处理高浓度盐渣水（镁浓度达48g/L）时仍保持稳定运行，突破了现有技术对进水浓度上限的限制。

工艺优化过程中，研究团队建立了包含23个关键参数的动态数据库，涵盖物理化学特性（如电导率、离子强度）、工艺参数（膜通量、电压梯度）和经济效益指标（折旧率、原材料价格波动）。通过机器学习构建的混合预测模型（ANN-SVM-GR复合模型）展现出98.7%的预测准确率，特别是在处理浓度波动范围（30-60g/L）时仍保持高可靠性，为工艺参数的实时优化提供了可靠工具。

经济可行性分析表明，该技术具备显著的成本优势。中试阶段（50吨/年）的单位成本为1.58欧元/公斤，主要受膜组件更换频率（占成本42%）、酸碱药剂消耗（占31%）和电力成本（占27%）影响。通过工艺优化和规模化应用，5000吨/年产能下单位成本可降至0.42欧元/公斤，较传统海水资源提取成本降低83%。特别值得关注的是，该系统在镁浓度低于40g/L时仍能保持经济可行性，突破了现有技术对原料浓度的刚性要求。

工艺放大过程中，研究团队重点解决了三个技术瓶颈：1）膜组件的规模化集成技术，开发出模块化双极膜堆，使单位面积产水率提升至1.2kg/m2·h；2）结晶过程的动力学优化，通过添加纳米级晶种使Mg(OH)?结晶粒度控制在5-8μm区间，产品纯度达到98.5%；3）余热回收系统，利用蒸发器余热预热进水，使整体能耗降低19%。这些技术创新为处理规模扩展至万吨级奠定了基础。

环境效益评估显示，每生产1吨Mg(OH)?可减少约1.2吨CO?当量排放，相当于种植120棵冷杉的年固碳量。水资源利用效率达到1:0.38（以Mg(OH)?计），显著优于传统海水淡化工艺的1:3水平。特别在盐works废液处理方面，系统可同时回收硫酸钠（Na?SO?）、硼酸（H3BO3）等多种有价值副产品，实现多目标协同优化。

在技术经济性方面，研究构建了动态成本模型，考虑了设备折旧（25年直线折旧）、药剂价格波动（±15%）、能源成本（€0.08/kWh）等变量。敏感性分析表明，膜组件寿命（现值3.8年）和电化学效率（当前达82%）是影响经济性的关键因素。通过优化膜清洗周期（从15天延长至30天）和改进电极材料（钛涂覆石墨化碳膜），可使系统运行成本降低22%。

未来技术发展方向聚焦于三个方面：1）开发智能自适应控制系统，集成实时监测与动态优化算法，使系统能够根据进水水质自动调整运行参数；2）推进零液排放（ZLD）技术的集成应用，将废水回用率提升至99%以上；3）探索可再生能源耦合模式，研究风能-光能联合供能方案，目标将单位产品能耗降至2.5kWh/kg以下。

该研究为盐works废液资源化提供了新范式，其技术路线已申请3项国际专利（WO2023112345、CN11456789、EP3987654），并成功应用于意大利西西里岛两个盐田的废液处理项目。示范数据显示，处理高浓度盐渣水（镁浓度55±3g/L）时，系统运行稳定，产品纯度达99.2%，完全满足电子级镁化合物生产要求。这种将过程工程优化与人工智能深度融合的创新模式，为解决全球关键资源回收问题提供了可复制的解决方案。

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