单价离子选择性膜电容去离子技术(mMCDI)用于硝酸盐去除的实验室规模研究及其在饮用水处理中的应用

为解决地下水中硝酸盐污染问题，研究人员开展单价离子选择性膜电容去离子(mMCDI)技术研究，通过对比纳米过滤膜(NF)、中性层修饰阴离子交换膜(AEM-Neutral)和聚酰胺层修饰膜(AEM-PA)的性能，发现AEM-PA在0.8 V电压下可实现5.2倍的NO3 - /SO4 2- 选择性，能耗低至2 Wh·g-1 ，为高能效选择性脱盐提供新方案。

　　

研究背景与意义
硝酸盐污染已成为全球地下水安全的重大威胁，德国35%监测点超标世界卫生组织50 mg·L^-1
限值。传统反渗透(RO)和生物反硝化技术存在高能耗、副产物残留等问题，而单价离子选择性膜电容去离子(mMCDI)技术因其低能耗和选择性去除潜力备受关注。然而，现有研究对混合离子体系中硝酸盐选择性去除机制及工艺参数优化仍存在知识空白。

研究方法与技术路线
德国德累斯顿工业大学等机构研究人员构建实验室级mMCDI系统，采用DEUKUM GmbH生产的活性炭电极（500 cm²
有效面积）和五种膜组合：标准阴/阳离子交换膜(AEM-0/CEM-0)、纳米过滤膜(NF)、NF+AEM-0、中性层修饰膜(AEM-Neutral)和聚酰胺修饰膜(AEM-PA)。通过控制电压(0.8-3.6 V)、流速(3-5 L·h^-1
)和脱附时间(300-500 s)，测定硝酸盐(NO₃
^-
)、氯离子(Cl^-
)和硫酸盐(SO₄
^2-
)的去除效率(RE)、单价离子选择性(S)和比能耗(SEC)。

关键研究发现

1. 膜材料性能对比
   NF膜展现出最高选择性(S=17.3)，但因其58.31 Ω·cm²
   高电阻导致离子去除率低；AEM-PA在0.8 V时实现NO₃
   ^-
   /SO₄
   ^2-
   选择性5.2，归因于聚酰胺层的尺寸排阻和-10 mV zeta电位产生的Donnan排斥效应。

2. 电压影响规律
   标准AEM-0/CEM-0在3.6 V时硝酸盐去除率达73%，但选择性(S≤1.02)差；而AEM-PA在0.8 V低电压下即实现64%去除率，证明低电压有利于维持选择性层功能。

3. 工艺参数优化
   缩短脱附时间至300 s可使水回收率(WR)提升至60%，但会降低总去除率；降低流速虽提高WR，却导致SEC_nitrate
   增至3.2 Wh·g^-1
   ，揭示操作参数间的权衡关系。

结论与展望
该研究证实mMCDI中AEM-PA膜在0.8 V低电压下兼具高选择性(5.2倍)和低能耗(2 Wh·g^-1
)的优势，其性能超越压力驱动膜工艺。时间分辨实验显示硫酸盐的83 s延迟响应特性，为脉冲电压工艺开发提供依据。未来需通过膜材料改性和过程强化进一步优化选择性与能耗的平衡，推动该技术在高硝酸盐地下水处理中的实际应用。论文发表于《Water Resources and Industry》，为电化学选择性脱盐领域提供了重要实验依据。