双极膜电渗析(EDBM)同步处理反渗透浓盐水与酸-碱联产：新型PVA/CMC-CS膜的性能优化

本研究针对反渗透(RO)浓盐水高盐度、污染物难处理的环保难题，开发了一种基于聚乙烯醇(PVA)/羧甲基纤维素(CMC)阳离子交换膜(CEM)与壳聚糖(CS)基阴离子交换层(AEL)的新型双极膜(BPM)。通过铁交联-硫酸磺化改性策略，离子交换容量(IEC)提升至0.53 meq/g（超越商用Nafion-117），在90 mA/cm2电流密度下实现55.2%盐截留率，酸/碱浓度分别提升19.2倍和9.04倍，电压降低至2.16 V。该技术为可持续浓盐水管理提供了高效、低成本的解决方案。

　　

反渗透(RO)海水淡化技术虽缓解了全球水资源短缺问题，但每生产1吨淡水约产生1.5吨浓盐水，其盐度高达普通海水的2倍且含重金属等污染物。传统处理方式如深井灌注易污染地下水，蒸发塘需大面积土地且能耗高。以埃及El-Dabaa地区为例，浓盐水渗透导致地下水盐度升至40,919 ppm，而沿海排放更引发底栖生态危机。面对这一挑战，埃及研究团队开发了双极膜电渗析(EDBM)技术，通过同步处理RO浓盐水并回收酸/碱资源，实现环境与经济双赢。相关成果发表于《Desalination and Water Treatment》。

研究采用三步核心方法：首先通过溶液浇铸法制备PVA/CMC阳离子交换膜(CEM)，经FeCl₃交联与H₂SO₄磺化改性；其次以壳聚糖(CS)和PVA复配构建阴离子交换层(AEL)；最后将优化后的CEM-1与AEL复合形成双极膜(BPM)。系统性能通过实验室规模EDBM单元（含钛电极，有效面积42.25 cm2）评估，采用电流-电压(J-V)曲线、扫描电镜(SEM)和离子交换容量(IEC)等表征手段，并利用埃及Marsa Matrouh实际RO浓盐水验证工程适用性。

3.1. 膜材料表征

关键结论1：铁交联-磺化协同提升膜性能
CEM-1经FeCl₃交联与硫酸磺化后，IEC从0.317提升至0.53 meq/g（图7a）。SEM显示其表面形成多孔结构（图5a），促进水合质子(H⁺)传输，接触角低至34.7°（图7c），亲水性优于商用Nafion-117。

关键结论2：双极膜结构优化降低能耗
BPM的阳离子交换层(CEL)呈高孔隙率，而阴离子交换层(AEL)致密光滑（图6）。该设计使水分子在界面层(IL)高效解离为H⁺/OH^-，电流密度90 mA/cm2时电压降至2.16 V，较商用BPM-1（3.45 V）降低37.4%（图8）。

3.2. EDBM系统性能

关键结论3：实际浓盐水处理效率显著
处理埃及Marsa Matrouh的RO浓盐水（初始电导率14,640 μS/cm）时，盐截留率达55.2%（图9b）。酸室HCl浓度从0.0025 M升至0.048 M（19.2倍），碱室NaOH从0.0058 M增至0.052 M（9.04倍）。离子分析表明，Ca²⁺、Mg²⁺主要迁移至碱室，而Cl^-、SO₄^2-富集于酸室（表6）。

关键结论4：膜材料成本优势突出
自制CEM-1单价为商用Nafion-117的4.9%（7.3 vs. 150.3美元/10×10 cm），而BPM成本仅为商用BP-1E的4.8%（10.5 vs. 217.88美元），且耐酸碱性优异（图9c-d）。

该研究首创以PVA/CMC-CS为基础的低成本双极膜，解决了EDBM技术商业化应用的膜材料瓶颈。通过铁离子交联与硫酸磺化的协同改性，不仅使IEC值超越顶级商用膜，更实现55.2%盐截留率与同步酸/碱增产，电压降低至2.16 V的行业领先水平。实际RO浓盐水验证表明，产出的酸/碱可直接用于RO系统pH调节与膜清洗，形成"以废治废"的闭环工艺。未来通过界面催化层优化（如铁基金属有机框架材料）和可再生能源耦合，将进一步推动该技术在缺水地区的工程化应用，为全球浓盐水可持续管理提供新范式。