基于单价选择性电渗析与改进型电渗析复分解联用的高回收率脱盐技术研究

为解决高盐度水体脱盐过程中结垢风险和水回收率受限的问题，K. Li等研究人员开发了一种结合单价选择性电渗析(mED)和改进型电渗析复分解(mEDM)的两步法工艺。该研究通过离子重组技术实现了95%的高水回收率，且无需添加化学药剂，在处理含Ca2+/SO42?等易结垢盐类的水体时表现出显著优势，能耗仅1.32kWh/m3，为可持续水处理提供了创新解决方案。

　　

随着全球水资源短缺加剧，脱盐技术成为获取淡水的重要途径。然而传统反渗透(RO)技术面临两大瓶颈：一是受限于CaSO₄等难溶盐在浓水侧的结垢风险，水回收率通常不超过85%；二是需要持续投加阻垢剂带来环境和运行问题。电渗析复分解(EDM)技术虽能通过离子重组缓解结垢，但对原水中NaCl含量要求苛刻，当单价/二价离子摩尔比低于4:1时性能急剧下降。这些限制严重制约了高盐废水处理的经济性和可持续性。

针对这些挑战，K. Li团队在《Desalination》发表的研究提出创新解决方案。他们设计了两步法工艺：先用单价选择性电渗析(mED)提取NaCl，再通过改进型电渗析复分解(mEDM)将Na⁺与SO₄^2?、Cl^?与Ca²⁺/Mg²⁺分别重组，形成独立的浓缩液流。关键技术包括采用商业化的Neosepta CMS/ACS单价选择性膜，构建五单元膜堆，在恒定电流0.32A下运行，通过OLI软件分析结垢趋势，并测试了合成盐水、地下水和油田采出水三种水质。

研究结果显示，在处理NaCl:MgSO₄摩尔比4:1的合成水时，两步法在90%回收率下CaSO₄结垢趋势仅为33-37%，远低于RO(640%)和常规ED(390%)。处理El Paso地下水(>4:1)时，系统达到95%回收率，Na型和Cl型浓缩液的CaSO₄饱和度分别控制在45%和48%，能耗1.32kWh/m³。即使在极具挑战的油田采出水(≈2:1)案例中，虽然Na型浓缩液理论饱和度达180%，实际运行仍无晶体析出。

机制分析表明，mED-mEDM的双重单价选择性膜屏障是关键创新。第一道mED膜对Mg²⁺/Ca²⁺的选择性(P_Na^Mg)为0.22-0.43，第二道mEDM膜进一步降至0.01-0.08，有效阻止二价离子进入"错误"浓缩液。通过调节浓缩液体积比(如Na型0.30L vs Cl型0.16L)，可进一步优化系统稳定性。

讨论部分指出，该系统展现出三大优势：完全电气化驱动、模块化设计、无需化学药剂。虽然比单级mEDM能耗略高(1.32 vs 1.07kWh/m³)，但显著拓宽了适用水质范围。研究还提出通过排放5%中间液流控制杂质积累、补充NaCl维持离子平衡等工程化解决方案，为实际应用奠定基础。

这项研究为高回收率脱盐提供了创新技术路线，特别适用于RO浓水处理和零液体排放场景。未来需在含HCO₃^?、SiO₂等复杂水质中验证性能，并通过中试验证长期运行稳定性。通过与RO工艺耦合，有望构建更高效、可持续的海水淡化系统。