综述：海水淡化水中的镁富集：技术、机制与实际考量——一项关键性综述

《Water Research》：Magnesium Enrichment of Desalinated Water: Technologies, Mechanisms, and Practical Considerations - A Critical Review

海水淡化水普遍缺乏镁元素，导致心血管疾病风险增加和农业产量下降。本文系统综述了镁补充技术，包括海水稀释、化学添加剂及离子交换、纳滤膜技术、电渗析耦合纳米过滤、以及电化学去离子化等先进分离方法，并分析了以色列、沙特等地的案例及经济成本，提出分离技术未来需降低成本并简化流程。

　　

Liat Birnhack|Paz Nativ|Ori Lahav

以色列海法理工学院（Technion - IIT）土木与环境工程学院，邮编3200003

摘要

虽然淡化水作为可持续的饮用水来源越来越受到重视，但它缺乏多种必需矿物质，其中最重要的宏量营养素是镁。镁缺乏与人类的心血管疾病和其他健康风险有关，同时当淡化水用于灌溉时也会对农业生产力产生负面影响。本文综述了目前用于富集淡化水中Mg²⁺的各种技术方法，包括简单的技术（如用海水或其他盐水稀释、直接添加化学物质以及溶解白云石），以及先进的基于海水分离的方法（如离子交换、纳滤后接二极和超滤、混合电渗析/纳滤和流动电极电容去离子）。来自以色列、沙特阿拉伯等地区的案例研究突出了实际挑战、标准化成本和政策因素。虽然没有一种方法适用于所有情况，但基于分离的技术在实现产品水中镁含量达到5至20 mg/L的目标方面具有较好的可扩展性和成本效益。文中还提供了操作、经济和水质影响的比较分析，并回答了常见问题，同时对未来的研究和应用提出了展望。

引言

近几十年来，全球对海水淡化的依赖程度显著增加，尤其是在中东、地中海盆地、美国、澳大利亚、加勒比国家、中国等干旱和半干旱地区（Pistocchi等人，2020年；Lin等人，2021年；Zolghadr-Asli等人，2023年；Doha等人，2025年；Chebli等人，2026年）。虽然淡化水提供了安全且抗旱的水源，并且水质在污染物方面较高，但它缺乏必需的矿物质，其中最重要的是镁。饮用水中镁的缺乏与心血管疾病发病率和死亡率增加有关（Ko?í?ek，2003年；世界卫生组织，2005年、2010年；Monarca等人，2006年；Rosanoff等人，2012年；Sengupta，2013年；Rowell等人，2015年；Shlezinger等人，2016年、2018年、2019年；Costello等人，2016年；Kozisek，2020年；Helte等人，2022年；?ermák等人，2023年），这导致人们普遍认识到需要通过后处理来补充矿物质。除了对人类健康的不良影响外，用淡化水进行农业灌溉还会对土壤结构和作物产量产生负面影响，进一步凸显了镁富集的必要性（Yermiyahu等人，2007年；Birnhack等人，2010c；Avni等人，2013年；Martínez-Alvarez等人，2017年、2018年）。表1总结了不同地区对淡化水的监管标准和推荐水质目标，其中还包括世界卫生组织（WHO）和欧盟（EU）关于饮用水（包括淡化水）的规定。在这些国家中，沙特阿拉伯是唯一一个目前为淡化水中的镁含量设定了最低监管标准的国家，要求添加≥5 mg/L的镁。尽管如此，沙特阿拉伯的盐水转化公司（SWCC）仍遵循内部指南，确保提供的淡化水中镁含量超过15 mg/L。在以色列，淡化水常直接用于作物灌溉或作为处理后的废水排放，因此从农业（施肥）角度来看，镁也是必需的。然而，出于同样的原因，[Cl^?]和[Na⁺]的添加阈值也非常严格，这限制了镁添加的潜力。在一些欧洲国家，也有对饮用水中总硬度最低要求的建议。例如，在意大利，推荐的最低值为150 mg/L的CaCO₃（D.P.R. 24 maggio 1988，n. 236），其中要求含有10 mg/L的镁。然而，由于没有强制性法规，向饮用水中添加镁的可能性不大。因此，法规是推动研究和实施的关键动力，这也是为什么以色列和沙特阿拉伯目前是最佳候选者的原因。

本文的详细讨论主要基于以色列和沙特阿拉伯的经验、监管框架和运营条件，同时指出随着南欧、美国西南部、澳大利亚和东亚部分地区淡化产能的增加，这些考虑在未来也可能在其他地区变得相关。

淡化厂的后处理步骤是确保水质符合健康和农业标准的关键阶段。然而，在全球大多数淡化厂中，通常只添加Ca²⁺（第二重要的宏量营养素）和碳酸盐物质（并通过强碱调节pH值以设定轻微正的CaCO₃沉淀潜力），目的是使水不对输送系统造成腐蚀。这样虽然满足了健康所需的Ca²⁺含量，但大多数淡化水中的Mg²⁺浓度仍然接近零。因此，尽管有表1中的指导原则，全球大多数淡化厂仍只添加Ca²⁺和碳酸盐物质。

已经提出了多种方法来纠正淡化水中镁的缺乏，包括将淡化水与含有约1350 mg/L镁但同时含有大量不需要的离子的海水或其他盐水混合（Glueckstern等人，2005年；Avni等人，2013年；Martínez-Alvarez等人，2017年），以及先进的基于膜的分离过程（Lesimple等人，2020年；Gr?ber等人，2021年；Nativ等人，2021年；Fellows等人，2023年）。

本文首先简要介绍了饮用水中镁的必要性，然后系统地分析了过去二十年提出的/实施的用于向淡化水中添加Mg²⁺的技术和方法。文章分为几个部分，首先介绍简单的/传统的富集方法（稀释方法、直接添加化学物质如MgCl₂或MgSO₄，以及溶解白云石），接着描述了先进的基于分离的技术（离子交换、纳滤、二极纳滤、混合电渗析和CDI），随后是案例研究、经济分析和未来展望。重点关注从富含镁的海水中选择性分离镁离子的方法。因此，预计未来的成本降低和工艺简化将主要来自这一途径。

部分摘录

饮用水中镁的需求：健康和灌溉视角

本文重点介绍了向淡化水（和软水）中添加镁的方法，但作者认为有必要专门讨论一下其原因。在过去30-40年中，已有数百篇论文讨论了饮用水中缺乏镁的负面影响。需要提醒的是，饮用水中的镁与健康结果之间的流行病学关系复杂，不能简单地归因于因果关系。

尽管如此，流行病学证据表明……

用富含镁的盐水稀释

用富含镁的盐水（如原始海水、微咸水或膜分离后的废水）稀释淡化水是最直接和简单的方法，尽管这种方法也存在一些缺点（Glueckstern等人，2005年；Al-Mudhaf等人，2011年；Avni等人，2013年；Martínez-Alvarez等人，2017年、2018年）。一方面，除非经过大量处理（见第4节），这些是廉价的镁来源，也可能……

从海水中分离镁离子

由于海水中镁离子的浓度相对较高（1300-1450 mg/L），并且海水容易获得（包括许多位于沿海地区的微咸水淡化厂），长期以来人们认识到从海水中选择性提取镁是一种具有成本效益的方法。多年来，已经开发了许多从海水中提取镁的方法（例如Ventimiglia等人，2025年）

案例研究：以色列、沙特阿拉伯

以色列在制定淡化水饮用水质量标准方面处于领先地位，包括2013年议会提出的建议（尚未被采纳为监管标准），要求向淡化水中补充镁。与此同时，以色列研究人员在开发淡化水的后处理方法方面也取得了显著进展，进行了大量关于白云石溶解、创新离子交换过程和先进纳滤技术的实验室研究。

经济和运营考虑

每种工艺都有一套典型的运营支出（OPEX）和资本支出（CAPEX）。由于能源、管道和泵送设备、膜等成本会随时间和地点变化，并受法规和地缘政治因素的影响，任何成本比较都不可能完全准确；然而，这仍可以提供一个合理的估计。为了更好地比较或选择本文中介绍的工艺，我们选择了四个参数，以帮助确定最佳工艺。

未引用的参考文献

Taub Center

CRediT作者贡献声明

Liat Birnhack：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，数据整理。Paz Nativ：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，数据整理。Ori Lahav：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，监督，项目管理，数据整理，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。