基于动态数学模型的批次循环电渗析系统脱盐与浓盐水处理过程模拟及性能优化

为解决高盐度废水处理中电渗析(ED)工艺参数优化难题，研究人员开发了耦合盐-水传输的Nernst–Planck方程动态模型，通过实验验证显示NaCl/LiCl体系浓度预测偏差小于±2%，揭示初始盐浓度从5wt.%提升至20wt.%会使脱盐效率降低93%，电流密度增至400A/m2可提升71%脱盐率，为工业级ED系统设计提供理论依据。

　　

随着全球淡水需求激增，海水淡化与工业废水处理成为缓解水危机的关键手段。然而传统反渗透(RO)技术产生的浓盐水含有5-20wt.%高浓度盐分，直接排放会破坏生态环境。更棘手的是，锂等战略资源在浓盐水中富集却难以高效回收。电渗析(Electrodialysis, ED)技术虽能通过离子交换膜(IEMs)实现选择性分离，但其复杂的水-离子耦合传输机制导致工艺参数难以预测，特别是电渗(electro-osmosis)效应和"极限浓度"现象严重制约系统性能。

研究人员针对这一技术瓶颈，构建了基于不可逆热力学框架的动态数学模型。该模型创新性地整合了Nernst–Planck方程与质量守恒定律，首次在批次循环ED系统中实现了对NaCl脱盐和LiCl浓缩双过程的精准预测。通过建立包含电渗流、扩散通量和迁移数的多参数方程，成功量化了静电作用引起的水分子传输对系统效率的影响。

关键技术包括：1) 采用数值方法求解耦合偏微分方程；2) 通过Sherwood数关联分析浓差极化效应；3) 实验测定IEMs的渗透系数与欧姆电阻；4) 在100-400A/m²电流密度范围验证模型。研究选用NaCl模拟RO浓盐水，LiCl代表战略矿物溶液，构建包含20组膜对的ED堆栈进行验证。

【Process description】
模型将ED堆栈抽象为CEM/AEM交替排列的单元，通过Nernst–Planck方程描述离子在电场作用下的迁移。结果显示，Li⁺因水合半径较小，其迁移数比Na⁺高18%，导致LiCl系统浓缩效率更优。

【Degree of freedom analysis】
自由度分析确认方程组封闭性，发现初始盐浓度是主导参数。当盐浓度从5wt.%升至20wt.%时，渗透压差使反向水通量增加3倍，导致脱盐效率从85%骤降至6%。

【Conclusion】
模型预测与实验数据偏差仅±2%，证实其可准确模拟非理想条件下的传输行为。特征曲线表明：400A/m²电流密度下盐通量达1.2mol/m²·h，但能耗增加需权衡；流速超过0.5cm/s可减弱浓差极化。

该研究通过M.S.S. Hatamipour团队建立的动态模型，首次量化了电渗效应对水回收率的抑制作用，为ED工艺突破"极限浓度"瓶颈提供理论工具。其创新性在于：1) 统一描述脱盐与浓缩双过程；2) 揭示LiCl/NaCl传输差异的分子机制；3) 建立电流密度-效率的定量关系。这些成果对实现零液体排放(ZLD)和战略资源回收具有重要工程指导价值，尤其为锂矿废水处理提供了优化设计范式。