《Desalination》：An integrated BMED-ED membrane process for resource recovery from saline wastewater: Performance optimization and energy consumption analysis
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本研究提出BMED-ED集成膜处理技术，将低浓度NaCl废水转化为高浓度HCl，优化初始体积比（BMED:ED）为2:1:1，电压20V和5V，实现3.23 kWh·kg?1·HCl的能耗，零化学添加且无副产物，为高盐废水资源化提供新路径。
贾云石|童牧|郭如钦|于亮宇|郑晓|廖俊斌|邱阳波|阮慧敏|沈江南
浙江工业大学化学工程学院，杭州，310014，中国
摘要
含盐废水不仅是一个工业环境问题，也是可持续水资源管理面临的全球性挑战。本研究提出了一种基于双极膜电渗析-电渗析（BMED-ED）的集成膜工艺，旨在解决化学工业中实现零液体排放和资源利用的问题。系统研究了进料体积比和操作电压等关键参数对工艺性能的影响，包括能耗、电流效率、通量和纯度。通过使用不同组合的离子交换膜进一步验证了该工艺的可行性。在初始BMED体积比为2:1:1、操作电压为20 V以及初始ED体积比为4:1、操作电压为5 V的优化条件下，该工艺能够高效地将1 mol·L?1的NaCl溶液转化为2 mol·L?1的HCl，具体能耗为3.23 kWh·kg?1 HCl。整个工艺无需添加其他化学物质，具有环境友好性，并展示了良好的技术可行性和应用潜力，为废水零液体排放提供了一条绿色途径。
引言
随着现代工业的快速发展，含盐废水的处理已成为一个具有挑战性的问题[1]，[2]。这种废水的盐分含量高，不仅会直接污染当地水体，还会导致可回收盐资源的流失[3]。因此，迫切需要开发既能减少生态危害又能促进溶解盐回收的可持续处理方法。在这种背景下，含盐废水的处理受到了越来越多研究人员的关注[4]，[5]，[6]。
历史上，沿海国家经常通过海洋排放或填埋来处理处理后的废盐。然而，这些方法仍存在潜在的污染风险[7]，并且随着相关法规的出台，排放要求也变得更加严格[8]。为此，许多国家采用了零液体排放（ZLD）系统，旨在处理工业废水的同时回收有价值的盐[9]，[10]。传统的ZLD工艺主要依靠热蒸发来分离水中的溶解固体。然而，这种方法需要大量的潜热，导致能耗较高且经济效益较差。反渗透技术也被应用于废水处理[11]，[12]。尽管其能耗相对较低，但该技术对进水条件有严格的要求，从而限制了其应用范围。
近年来，离子交换膜的应用催生了新的物质分离方法，并促进了一系列电膜工艺的发展[13]。电渗析（ED）利用两种类型的离子交换膜实现选择性离子传输。阴离子交换膜（AEM）带有正电荷，有利于阴离子的通过同时阻挡阳离子[14]；阳离子交换膜（CEM）带有负电荷，作为选择性屏障允许阳离子通过同时有效排除阴离子[15]。通过交替排列这些膜，可以形成多个独立的分室。在直流电场的作用下，分室中的阳离子向阴极移动，阴离子向阳极移动。结果，某些分室（称为浓缩室）中的离子浓度增加，而其他分室（称为稀释室）中的离子浓度降低，从而实现目标离子的分离和浓缩[13]。在此过程中，电能主要用于离子的定向迁移，因此能耗远低于传统蒸发工艺。结合其操作简便性，ED是一种高效、节能且环保的分离方法，还在溶液浓缩等领域有许多应用[16]，[17]，[18]，[19]。
双极膜电渗析（BMED）是一种绿色环保的技术[20]，[21]，[22]，[23]，特别适用于高盐度废水的处理[24]，[25]，[26]，[27]。它结合了双极膜的水解离能力和传统ED的工作原理。双极膜由阴离子交换层、阳离子交换层和中间催化层组成[28]，能够直接将溶液中的盐转化为相应的酸和碱，且不产生任何副产物[29]。该工艺仅消耗盐、水和电能，实现零副产物排放，并具有良好的经济效益[30]，[31]，[32]，[33]，[34]。
近年来，研究人员广泛探索了利用BMED将含氯化钠废水转化为相应酸和碱的方法。然而，现有研究主要集中在高浓度进料溶液上，而实际工业废水中氯化钠的含量可能相对较低。迄今为止，尚未有报道将ED与BMED结合用于废盐处理的案例。为了解决这个问题，本研究提出了一种集成工艺，将ED作为预浓缩单元，与BMED结合使用，从低浓度氯化钠溶液中生产高浓度盐酸。
本研究系统评估了两种集成膜工艺的酸生产性能，考察了包括体积比和应用电压在内的关键操作参数的影响，并评估了每种配置的能耗情况，以确定最佳系统性能。研究结果表明，BMED-ED配置能够有效将氯化钠溶液转化为盐酸。这种集成方法不仅为工业环境中的废盐资源化提供了实用途径，还实现了酸和碱的自给自足生产。该工艺实现了零液体排放的废水处理，并展示了良好的绿色经济效益潜力。
试剂和材料
氯化钠（NaCl）、硫酸钠（Na?SO?）、氢氧化钠（NaOH）和酚酞均从中国医药化学试剂有限公司购买，所有试剂均符合分析级标准。本研究中使用的阳离子交换膜（CEMs）包括：CMT（来自浙江百川低碳科技有限公司，绍兴，中国）和Neosepta CMB（来自ASTOM公司，日本）。阴离子交换膜（AEMs）来自北京廷润膜技术有限公司。
初始体积比的影响
稀释室和浓缩室之间的体积比（VDC:VCC）是电渗析工艺中的一个关键操作参数。该比例决定了离子迁移的质量传递基础，并通过影响溶液导电性和耦合的水传输行为直接影响系统性能。该参数的变化会影响能耗、系统电流效率、纯度和通量。
为了系统分析这些影响，我们
结论
对两种集成膜工艺BMED-ED和ED-BMED进行了系统比较，重点研究含盐废水中氯化钠转化为盐酸的资源回收情况。结果表明，BMED-ED工艺在能耗方面具有显著优势。该工艺不仅实现了含盐废水的资源回收，将废盐转化为有价值的酸和碱，还
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢中国浙江省杭州市科学技术局重点研发计划（项目编号：2024SZD1B20）、国家自然科学基金（项目编号：22008214）、公司资助项目（项目编号：KYY-HX-20240220）以及浙江省重点研发计划（项目编号：2021C03170）提供的财务支持。作者还感谢浙江工业大学分析与测试中心的支持。
