《Membranes》：Pilot Plant Test of Single-Pass Electrodialysis Reversal System
Marian Turek,
Ewa Bernacka and
Krzysztof Mitko
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本文针对传统电渗析反转（EDR）在高回收率运行时，为避免浓淡水隔室压差导致膜鼓包损坏，常采用浓水再循环（feed-and-bleed）模式，从而带来能耗增加和结垢风险加剧的问题。研究团队设计并搭建了一套新型单程EDR中试装置，创新性地采用出口节流阀控制压差，并结合了可增强传质的新型六边形隔网。实验结果表明，该装置处理河水时，在70-75%回收率下脱盐度达75-96%，可产出电导率低至17.9 μS/cm的深度脱盐水，且单位成本较现有商业方案降低达52%。此项研究为高效、低成本的工业水脱盐提供了创新性解决方案。
在能源、化工等众多工业领域，对高质量脱盐水的需求日益增长。作为一种重要的膜法脱盐技术，电渗析反转（Electrodialysis Reversal, EDR）因其独特的周期性电极反转自清洁能力，在处理具有高结垢倾向的苦咸水方面展现出优势。然而，为了获得高水回收率（即产水体积远大于浓水体积），传统工业EDR装置通常面临一个两难困境：若使浓、淡水隔室以不同的线性流速运行，会产生显著的隔室间压差，可能导致离子交换膜鼓包甚至损坏；若为了避免压差而采用浓水再循环（feed-and-bleed）模式，虽可平衡流速，却需要额外泵送能耗，更重要的是，部分过饱和浓水在系统中循环停留时间延长，显著增加了难溶盐结晶、在膜表面结垢的风险。因此，能否开发一种既能在真正的单程模式下（浓、淡水均不循环）高回收率运行，又能有效控制膜两侧压差、抑制结垢的EDR技术，成为业界亟待解决的问题。
为回答这一问题，由Marian Turek, Ewa Bernacka 和 Krzysztof Mitko组成的研究团队，在波兰?agisza电厂开展了一项中试规模的研究，成果发表在《Membranes》期刊上。他们设计并建造了一套全新的EDR装置，核心包含两项创新：一是新颖的压力控制策略，通过节流阀调节流速较低一侧介质（通常为浓水）的出口，主动控制浓、淡水隔室间的压差，将其维持在安全限值（如25 kPa）以下，从而允许浓、淡水以不同流速进行真正的单程操作。二是采用了一种工业上未使用过的、具有六边形网状结构的新型薄隔网（0.35 mm），研究表明其相较于传统商业隔网，在相同水力条件下能提供更高的传质系数。研究的目标很明确：验证这套新装置能否达到或优于商业EDR的脱盐水平与水回收率，同时实现更低的运行成本。
研究人员为开展此项研究，综合运用了多项关键技术方法。首先，基于专利技术，设计并构建了集成新型压力控制策略和六边形隔网的中试规模EDR装置堆栈。其次，在装置设计阶段，通过实验室规模的间歇电渗析（ED）实验，模拟单程ED过程的两端，确定了极限电流密度，并据此计算了所需的理论膜长度，为装置设计提供了理论依据。接着，在?agisza电厂，以经过混凝/超滤预处理的河（Przemsza河）水为原水，进行了长期的连续单程EDR中试运行测试，系统考察了不同工作/冲洗时间比下的脱盐性能、回收率及运行稳定性。最后，基于中试运行数据，与波兰Stalowa Wola的商业EDR电厂进行对比，建立了详细的经济模型，对单位产水成本（包括投资成本CAPEX和运行成本OPEX）进行了计算和敏感性分析。
研究结果显示，这套创新的EDR系统成功实现了设计目标：
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设计与辅助ED实验结果：前期的小试验证表明，使用新型隔网，可以在较高电压下对河水进行深度脱盐。一次间歇实验成功将淡水（diluate）电导率从约500 μS/cm降至15.4 μS/cm，远超预设的35 μS/cm目标，证明了仅通过EDR实现深度脱盐的可行性。
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单程EDR的中试测试：长期连续运行的中试数据证实，该单程EDR装置能够在浓、淡水流量不同的条件下稳定运行，并实现高回收率和深度脱盐。在河水（电导率~500 μS/cm）处理中，平均回收率达到70-75%，脱盐度在75-96%之间。通过两级模拟，甚至获得了电导率低至8.52 μS/cm和13.3 μS/cm的深度脱盐水。装置运行稳定，工作（work）与电极反转后冲洗（spec-off）时间比可达62:1.5，但当工作周期延长至81分钟时，观察到了电压上升和膜表面结垢迹象，表明过长的运行周期会增加结垢风险。
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所提方案的经济性分析：经济对比分析给出了最具说服力的结果。在与商业EDR（Stalowa Wola，产品水电导率85 μS/cm）产水质量相近的条件下（新产品水电导率74.3 μS/cm），新型单程EDR的单位产水成本估算比商业方案降低了52%。即使在追求深度脱盐（产品水电导率17.9 μS/cm）的条件下，其单位成本仍比商业EDR方案低37%。敏感性分析表明，在电价、膜价格等主要参数合理波动范围内，新方案大多保持成本优势。深度脱盐方案的成本对电价更为敏感。
结论与讨论部分，研究团队总结了本项工作的核心价值。首先，研究证实了所开发的新型单程EDR装置能够达到甚至超越现有商业EDR的脱盐水平和水回收率。深度脱盐（单级17.9 μS/cm，两级8.52 μS/cm）的实现，减少了后续如混合床离子交换等深度处理工艺的负荷，具有重要的下游经济意义。研究者推测，深度脱盐的实现可能得益于装置在超出极限电流密度（overlimiting current regime）下运行，高电压（达5-7 V/膜对）可能引发了电对流涡旋，增强了传质，而新型隔网结构可能对此有促进作用。其次，新型压力控制策略使得在不回收浓水的真正单程模式下实现高回收率成为可能，这从根本上避免了污染物在系统内的累积，降低了结垢风险。虽然长期膜寿命（假设为80,000小时）有待验证，但经济敏感性分析显示，即使膜寿命缩短20%，新方案仍具经济竞争力。最后，性能更优的新型隔网通过提高传质效率，可以用更短的膜长度达到相同的脱盐效果，直接降低了膜堆投资成本。该研究为工业高回收率脱盐提供了一条兼顾高性能、低成本和低结垢风险的新技术路径，不仅在能源行业，在化工、食品等众多领域都具有广阔的应用前景。
