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随着电动汽车和锂电池行业的蓬勃发展，锂电池湿法生产产生大量 Na?SO?废水，其排放问题亟待解决。研究人员开展了 pilot-scale 双极膜电渗析（BPED）处理高浓度 Na?SO?废水的研究。结果显示该技术可有效转化废水，有经济和环境效益，为相关行业提供新方案。
在当今科技飞速发展的时代，电动汽车如雨后春笋般普及，这背后离不开锂电池产业的强力支撑。然而，锂电池阴极材料的湿法生产过程却带来了一个棘手的问题 —— 大量 Na?SO?废水的产生。Na?SO?废水若未经妥善处理直接排放，虽硫酸盐本身化学性质稳定、无毒，但它会使地表水盐度升高，严重干扰水生生态系统的营养循环和金属相互作用，对淡水生物造成威胁 。随着人们对水资源可持续性的关注度不断攀升，未来对废水排放的环境要求只会愈发严格，因此，处理 Na?SO?废水迫在眉睫。
双极膜电渗析（BPED）技术为解决这一难题带来了希望。它能够将盐溶液转化为有价值的酸和碱产品，实现资源的回收利用。此前，虽有不少实验室对 BPED 系统进行了研究，但大多停留在小规模阶段，对于其大规模工业应用的研究相对匮乏。为了填补这一空白，评估该技术在工业上的可行性，研究人员开展了此次关于 pilot-scale BPED 系统处理高浓度 Na?SO?废水的研究。
研究人员采用了一系列关键技术方法。实验使用 ASTOM 电渗析栈，其有效膜面积为 0.02 m2，包含 Neosepta CMB 阳离子交换膜（CEM）、Neosepta AHA 阴离子交换膜（AEM）和 Neosepta BPU 双极膜（BPM） 。以 20 wt% 的纯硫酸钠溶液为进料溶液，在不同电流密度（350、550 和 750 A/m2）下进行批次实验 。通过酸 / 碱滴定测定硫酸和氢氧化钠的浓度，利用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）和离子色谱分别分析阳离子和阴离子浓度，并依据特定公式计算转化率、电流效率和能量消耗等指标。
研究结果
- 电压变化：在不同电流密度下，除 350 A/m2 外，电压变化趋势相似。开始时，较高电流密度对应较高电压，之后电压下降并稳定，接近操作结束时，由于 Na?SO?溶液电阻增加，电压急剧上升 。例如，750 A/m2 时，电压先升高，维持 90 V 约 5 分钟后下降并稳定，250 分钟后又急剧上升；550 A/m2 时，电压上升延迟约 100 分钟；350 A/m2 时，电压在最后阶段无明显上升 。
- pH 变化：随着电流密度从 350 增加到 750 A/m2，Na?SO?隔室的 pH 迅速下降，之后又上升 。这是因为质子的反向扩散和迁移，750 A/m2 时，pH 从 5 降至 2.5 后又上升；550 A/m2 时，350 分钟后 pH 上升；350 A/m2 时，pH 无上升 。
- 电导率变化：较低电流密度在初始阶段电导率下降更明显，之后电导率上升并达到峰值 。BPED 在 550 - 750 A/m2 能有效将硫酸钠转化为酸和碱，350 A/m2 时转化能力有限 。同时，酸和碱隔室的电导率随时间增加，表明转化成功，且 H?SO?电导率上升更快 。
- 产品浓度、电流效率和能量消耗：750 A/m2 时，H?SO?和 NaOH 浓度分别达到 10.4 wt%（1.06 M）和 7.4 wt%（1.85 M） 。电流效率和能量消耗随电流密度增加而上升，NaOH 电流效率低于 H?SO?，是因为质子的反向扩散和迁移 。550 - 750 A/m2 时，能量消耗从 0.9 kWh/kg - Na?SO?增加到 1.3 kWh/kg - Na?SO? 。
- 产品纯度：H?SO?和 NaOH 的纯度分别为 96.1% 和 99.6%，H?SO?纯度较低是由于 BPM 离子交换层的不完全选择性，导致 Na?和 SO?2?离子的不必要传输 。
- 氢气产生率：氢气产生率与总电流呈线性关系，每年处理 10,000 吨电池行业废硫酸钠时，估计氢气产生率约为 10 m3/h（7,000 kg/yr） ，氢气产生收入与 BPED 功耗的比率约为 3.2% 。
- 成本分析：处理 10,000 吨 / 年 20 wt% Na?SO?溶液时，资本支出（CAPEX）和运营支出（OPEX）分别为 22.2 美元 / 吨 - Na?SO?和 229.2 美元 / 吨 - Na?SO? ，总成本为 251.5 美元 / 吨 - Na?SO? 。
研究结论与讨论
此次研究利用 pilot-scale BPED 系统，成功从高浓度 Na?SO?溶液中回收了 H?SO?和 NaOH 。该系统能有效将 Na?SO?废水转化为有价值的产品，且产品达到了一定的浓度和纯度 。同时，研究还分析了不同电流密度对系统性能的影响，为实际应用提供了重要参考 。不过，目前的研究仍存在一些局限性，如未深入探讨连续运行策略、膜污染机制等 。未来需要进一步研究这些关键设计参数，以推动 BPED 技术在工业上的全面应用。
这项研究成果发表在《Desalination and Water Treatment》上，为 Na?SO?废水处理提供了新的思路和方法，展示了 BPED 技术在工业应用中的潜力 。它不仅能解决废水排放带来的环境问题，还能通过回收酸和碱实现资源的再利用，具有显著的经济和环境效益 。随着环保要求的日益严格和工业对可持续发展的追求，BPED 技术有望在未来得到更广泛的应用和发展。
