基于电渗的无浓缩液循环电渗析用于直接回收高浓度盐水

《Water Research》：Electro-osmosis-based electrodialysis without concentrate recirculation for direct recovery of high-concentration brine

　　

摘要

电渗析 (ED) 中由电渗 (EO) 和渗透 (OS) 引起的水传递通常被认为是一种限制，因为它会稀释浓缩液并限制高浓度卤水的生产。本研究开发并实验验证了一种新型基于电渗的电渗析 (EO-ED) 工艺，其中水传递被用作浓缩液排放的驱动力，无需浓缩液再循环。使用 Na₂SO₄ 溶液在各种操作条件下评估了 EO-ED 的脱盐性能和水传递行为。无需浓缩液循环泵即可实现稳定的脱盐和浓缩液回收。估算的 EO 水传递量保持几乎恒定，而估算的 OS 水传递量强烈依赖于浓度梯度和操作时间。提高电流密度或槽电压可通过缩短操作时间来减少给定累计电荷下的累计 OS 水传递量，从而导致较低的水盐传递比和较高的浓缩液浓度。在延长操作期间获得了 287?g/L 的最大排放浓缩液浓度，同时电流效率保持在 92.8% 以上。虽然 EO-ED 表现出比常规电渗析 (ED) 略高的电阻，但保持了相当的电流效率。这些结果证明了 EO-ED 作为一种新型非再循环电渗析 (ED) 配置的可行性，该配置利用膜水传递进行浓缩液排放，同时简化了工艺配置。

引言

脱盐技术在解决全球水资源短缺和从工业废水中回收有价值资源方面发挥着越来越重要的作用 (Xu 和 Huang, 2008; Campione 等，2018; Al-Amshawee 等，2020; Zhang 等，2026)。特别是，各种工业过程产生的高盐度废水包含经济上有价值的成分，包括无机盐、营养物和金属，使其成为资源回收的有吸引力目标 (Lopez 等，2017; Juve 等，2022; Sim 等，2024; Meng 等，2024; Isaksson 等，2025)。随着对循环经济和零液体排放 (ZLD) 策略的重视日益增加，对能够生产高浓度卤水的节能脱盐技术的需求不断增加 (Zhang 等，2026; Reig 等，2014; Ruleva 等，2024; Kabir 等，2024)。

在各种脱盐和浓缩技术中，反渗透 (RO)、电渗析 (ED) 和蒸发、结晶等热过程被广泛应用 (Patel 等，2022)。反渗透 (RO) 是使用最广泛的脱盐技术，因为它对处理相对较低盐度溶液具有有利的经济性 (McGovern 等，2014; Campione 等，2018; Patel 等，2024)。然而，随着盐浓度增加，渗透压显著上升，需要更高的操作压力，导致能耗显著增加 (McGovern 等，2014; Zhang 等，2026)。因此，反渗透 (RO) 在生产高浓度卤水方面变得效果较差 (Reig 等，2014; Jiang 等，2014)。相比之下，热过程可以实现高得多的浓度水平，但需要大量的能源输入和复杂的系统设计 (Reig 等，2014; Zhang 等，2026)。

电渗析 (ED) 是一种电化学脱盐过程，其中离子在施加的电场下通过交替的阳离子交换膜 (CEM) 和阴离子交换膜 (AEM) 传输 (Strathmann, 2010; Ran 等，2017; Campione 等，2018)。因为电渗析 (ED) 利用电场而不是液压作为驱动力，所以对于浓缩高电导率盐水溶液特别有吸引力 (McGovern 等，2014; Campione 等，2018; Yang 等，2026)。由于其高离子选择性和模块化配置，电渗析 (ED) 已被广泛应用于盐回收、营养物回收和资源回收 (Ward 等，2018; Rotta 等，2019; Li 等，2021; Juve 等，2022; Sim 等，2024; Meng 等，2024; Ruya 等，2025; Yang 等，2026)。此外，最近的研究表明，电渗析 (ED) 可以生产接近饱和浓度的高浓度卤水 (Jiang 等，2014; Reig 等，2014; Yan 等，2019; Ruleva 等，2024)。

限制电渗析 (ED) 高浓度操作的主要因素之一是与离子迁移相关的水传递 (Rottiers 等，2014; Han 等，2015; Jiang 等，2015; Chehayeb 等，2017; Kingsbury 等，2018; Cho 等，2025)。在离子从淡室传输到浓室的过程中，水不可避免地通过离子交换膜由电渗 (EO) 和渗透 (OS) 传输 (Rottiers 等，2014; Filippov 等，2022; Cho 等，2025)。电渗水传递源于电场下水合离子的迁移，而渗透水传递由膜两侧的浓度梯度驱动 (Jiang 等，2015; Liu 和 She, 2022; Cho 等，2025)。由此产生的水传递增加了浓液体积并稀释了浓缩溶液，从而限制了可达到的最大盐浓度 (McGovern 等，2014; Yan 等，2019; Sun 等，2021; Fan 等，2024)。先前的研究调查了 EO 和 OS 水传递的机制，并探索了通过膜开发和操作条件优化来最小化其影响的策略 (Porada 等，2018; Kingsbury 等，2018; Liu 和 She, 2022; Kitto 和 Kamcev, 2023; Fan 等，2024)。

然而，盐和水的连续传输从淡室到浓室表明了工艺设计的新机会。在常规电渗析 (Conv-ED) 系统中，浓缩液流使用泵连续循环，以向浓室供应溶液并回收传输的离子 (Campione 等，2018; Yang 等，2026)。虽然这种配置有效，但它增加了系统复杂性和设备需求，并需要额外的泵送来进行浓缩液再循环。由于在电渗析 (ED) 操作期间水和盐本质上被传输到浓室，因此有可能消除浓缩液再循环，并利用传输的水本身作为驱动力直接排放浓缩卤水。

基于这一概念，我们提出了一种新型基于电渗的电渗析 (EO-ED) 工艺，其中浓缩液流不再循环。相反，通过离子交换膜传输的水和盐直接从膜堆排放。传输的水在浓室内产生连续流，消除了对浓缩液循环泵的需要。因此，EO-ED 简化了系统配置，同时实现了高盐度卤水的直接回收。这种方法从根本上不同于常规电渗析 (Conv-ED) 操作，利用了不可避免的水传递现象作为浓缩液排放的驱动力。

本研究展示了首个无需浓缩液再循环的 EO-ED 系统操作实验演示。为了评估所提出的 EO-ED 工艺的可行性，使用 Na₂SO₄ 溶液在恒电流 (CC) 和恒电压 (CV) 操作模式下调查了脱盐性能和水传递行为。EO-ED 的电化学性能，包括电流效率和比能耗，与常规电渗析 (Conv-ED) 进行了系统比较。此外，估算了 EO 和 OS 对总水传递的各自贡献，以识别有利于高浓度卤水回收的操作条件。最后，进行了大体积实验以评估所提出工艺的实际可行性并表征排放的浓缩液。因此，本研究应被视为 EO-ED 概念的概念验证演示，而不是全面的工艺优化或工业规模评估。

章节摘要

电渗析膜堆配置与实验设置

使用市售的 CEM (CSE, 日本 Astom Co.) 和 AEM (ASE, 日本 Astom Co.) 构建电渗析膜堆。该膜堆由七个膜对组成，交替排列 CSE 和 ASE 膜。为了为淡化和浓缩液流创建流道，在相邻膜之间插入了 1 毫米厚的 PVC 垫片，开口面积为 5?cm x 11?cm (55 cm²)。在垫片内放置隔网以保持溶液流动均匀。膜堆的总有效膜面积

无浓缩液再循环的 EO-ED 操作演示

本研究的一个关键目标是验证 EO-ED 是否可以通过利用水传递作为浓缩液排放的驱动力，在无需浓缩液再循环的情况下操作。为了演示这一概念，在恒电流 (CC) 条件下进行了 EO-ED 实验，电流密度范围为 10 至 40?mA/cm²，同时保持相同的累计电荷输入 3960 C。

图 1 显示了 EO-ED 操作期间淡化液浓度和累计浓缩液质量的变化。无论

结论

在本研究中，开发了一种新型无需浓缩液再循环的 EO-ED 工艺，并使用 Na₂SO₄ 溶液进行了实验验证。与常规电渗析 (Conv-ED) 不同，EO-ED 利用由 EO 和 OS 传输的水作为浓缩液排放的驱动力，实现了无需浓缩液循环泵的操作。

实验结果表明，无需浓缩液再循环即可实现稳定的脱盐和浓缩液回收。OS 水传递受

CRediT 作者贡献声明

崔宰焕：概念化。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本论文报告中工作的客观性。

致谢

本工作得到了 2026 年公州国立大学研究资助的支持，并得到了韩国政府 (MSIT) 资助的韩国国家研究基金会 (NRF) 赠款 (No. RS-2025–16064841) 的支持。

崔宰焕

韩国忠清南道天安市西北区天安市大路 1223-24, 31080，公州国立大学化学工程系、未来可持续技术中心