电渗析技术选择性回收废水中羧酸的环境与经济价值研究

研究人员针对传统废水处理中羧酸(CAs)矿化成本高、资源浪费的问题，创新性地采用电渗析(ED)技术，以草酸(OA)为靶标，探究电流密度对四种羧酸混合物分离纯化的影响。实验表明25 mA/cm2电流密度下OA回收率最优，纯度提升至50%，验证了ED在羧酸选择性回收中的可行性，为废水资源化提供了绿色解决方案。

　　

随着工业废水中有机污染物处理需求的日益增长，传统高级氧化工艺（AOPs）将羧酸（CAs）完全矿化为CO₂的方式暴露出高成本、资源浪费的弊端。草酸（OA）、乙酸（AA）等羧酸作为有机氧化的中间产物，具有显著的回收价值。如何实现这些高附加值化合物的选择性分离，成为环境工程领域的重要挑战。

西班牙马德里理工大学的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表论文，提出将电渗析（ED）技术整合到“电精炼”概念中，通过四室电渗析装置（配备FAB-PK-130阴离子交换膜和FKS-50阳离子交换膜）系统研究了电流密度（12.8-37.5 mA/cm²）对OA/FA/AA/PA混合物的分离效能。研究发现，在pH 1.5条件下，利用各羧酸pKa差异（OA pKa₁=1.27，PA pKa=4.877），25 mA/cm²电流密度可实现OA迁移速率0.12 mmol/cm²·h，产物室OA浓度达218 mM（初始浓度100 mM），纯度提升至50%，同时能耗维持在818.5 Wh/mol。该研究为废水中有机资源的定向回收提供了技术范式。

关键技术方法
研究采用四室电渗析系统，通过3D打印定制反应器（室间距1 cm），以MMO/不锈钢为电极，考察不同电流密度下羧酸迁移规律。采用HPLC（H₂SO₄流动相）监测浓度变化，结合pH/电导率实时分析，建立迁移动力学模型。

研究结果

1. 材料与方法：FAB-PK-130膜（厚度110-141 μm）在pH 1.5时优先传输单去质子化OA（62.87%电离度），而FA/AA/PA电离度均<1%。
2. 电流密度影响：25 mA/cm²时OA电流效率达35.5%，但37.5 mA/cm²时因反向扩散导致纯度下降。
3. 传质机制：电迁移与扩散竞争导致9小时后OA迁移速率趋稳，产物室电导率从3.30增至19.28 mS/cm。
4. 膜性能极限：电压扫描实验证实PA在30V时迁移受限，有利于OA选择性富集。

结论与意义
该研究首次证实ED可通过pKa调控实现羧酸分级回收，25 mA/cm²为最优参数，OA回收率较传统工艺提升2倍。虽然完全分离未实现（所有羧酸均穿透AEM），但通过电流密度调控可定向富集目标产物。这项技术将废水处理从单纯的污染物消除转向资源回收，契合循环经济理念，为电驱动分离技术在环境工程中的应用开辟了新路径。未来通过膜材料改性（如增加电荷选择性）和反应器优化（缩小室间距），有望进一步提升分离效率。