利用双极膜电渗析技术对微咸水、淡水和海水进行酸化处理：水质成分对反应动力学及能耗的影响

《Sustainable Materials and Technologies》：Acidification of brackish, fresh, and seawater by bipolar membrane electrodialysis: Impact of composition on kinetics and energy consumption

　　

斯蒂芬·韦尔德泽托-因特里亚戈（Steeven Verdezoto-Intriago）、乔纳森·I·门德斯-鲁伊斯（Jonathan I. Mendez-Ruiz）、凯文·弗兰科-冈萨雷斯（Kevin Franco-González）、贾奎琳·E·科博斯（Jacquelin E. Cobos）、埃米尔·R·科尔内利森（Emile R. Cornelissen）、普里西拉·E·瓦尔韦德-阿尔马斯（Priscila E. Valverde-Armas）、莱昂纳多·A·古铁雷斯（Leonardo A. Gutiérrez）

厄瓜多尔瓜亚基尔市古斯塔沃·加林多校区（Campus Gustavo Galindo），周边公路30.5公里处，ESPOL理工学院地球科学工程学院

摘要

人为产生的二氧化碳（CO₂）排放已达到前所未有的水平，其中大约30%被水生系统吸收。本研究利用双极膜电渗析（BPMED）技术探究了自然水体的酸化过程，该技术是二氧化碳分离（CDR）的关键步骤。实验选取了不同盐度和碳酸氢盐浓度的天然水体：海水（51.2 mS/cm，140 mg/L HCO₃^?）、微咸地下水（5.4 mS/cm，290 mg/L HCO₃^?）和地表淡水（0.4 mS/cm，162 mg/L HCO₃^?）。BPMED技术使碳酸盐平衡向H₂CO₃/CO_2(aq)方向移动，从而实现了二氧化碳的有效分离，使这种方法具有可持续性。研究分析了施加电压、酸化液与碱化液体积比以及水化学成分对酸化动力学、能耗和离子传输的影响。结果表明，较高的盐度和电压加速了酸化过程，而缓冲能力（HCO₃^?）则减缓了酸化速度。此外，低盐度水体实现酸化（最终pH值为4）所需的能量较低（淡水和海水分别为1.02 kWh/kg和1.86 kWh/kg），但增加酸化液与碱化液体积比会导致能耗上升。酸化后的水体中Na⁺和Cl^?浓度升高，而K⁺和HCO₃^?浓度下降。这些发现有助于深入理解基于电化学的水体酸化机制，并为管理自然水体中的二氧化碳提供新的思路。

引言

过去十年中，人为产生的二氧化碳（CO₂）排放量已超过400亿吨，成为气候变化的主要驱动因素之一[1]。其中约30%的CO₂被海洋吸收，导致海水pH值逐渐下降，对生物多样性产生不利影响[2]。在水中，溶解的CO₂以H₂CO₃、HCO₃^?和CO₃^2?等形式存在，其比例受pH值、温度和盐度影响[3,4]。面对这种溶解碳的积累及其引起的海洋酸化问题，开发高效碳捕获技术已成为减缓气候变化的重要方向。

传统碳捕获方法主要集中在从集中排放源或空气中直接捕获CO₂，而天然水体（如海水、湖泊水和河水）中的高碳浓度为捕获提供了有前景的替代方案。这些技术可分为三类：燃烧后捕获（PCC）、直接空气捕获（DAC）和矿物质化。尽管PCC应用广泛，但其能耗较高（3–4 kWh/kg CO_{222（比大气中高130倍）的水体中捕获CO2成为一种有前景的解决方案[8]。}

双极膜电渗析（BPMED）作为一种创新的电化学技术，可用于捕获溶解的CO₂[9,10]。在电场作用下，双极膜将水分子分解为H⁺和OH^?，无需化学试剂[11,12]，从而实现局部酸化，促使HCO₃^?转变为H₂CO₃/CO_2(aq)[13,14]。与其他技术相比，BPMED具有显著优势：其能耗（0.94–2.49 kWh/kg CO₂）比PCC和DAC（分别为4 kWh/kg和8 kWh/kg）低76%[15]。此外，BPMED能在pH值1至13的宽范围内运行，温度上限可达60°C，且不会损坏膜材[16]。它在不同盐度的水体（从淡水<0.5 g/L到高浓度盐水>50 g/L）中均表现良好[2,17]。其快速动力学特性使水分解和酸化过程仅需几秒至几分钟，而基于矿物质化的过程则需要长时间[18]。在BPMED的酸碱反应体系中，已实现高CO₂捕获效率[13]。近年来的研究主要集中在海水或工业盐水中[13,15,19]，较少涉及其他天然水体。此外，许多研究使用合成溶液作为概念验证系统，忽视了天然水体的复杂性[10,14,20]。实际上，天然水体中含有多种多价离子，这些离子会影响离子传输和能量效率。因此，在实际条件下评估BPMED具有重要意义，以获得更准确的系统性能评价。

此外，BPMED过程产生的酸性水具有巨大潜力，但在工业应用方面尚未得到充分探索。以H₂CO₃形式存在的溶解CO₂及其酸性特性可应用于提高石油采收率（EOR）技术，为传统化学注水方法提供可持续替代方案。特别是通过注水可以提高成熟油田的产量，二次措施可提高77%，三次措施可再增加6%[22,23]。CO₂-EOR的增效主要体现在其对原油的直接作用：溶解后的CO₂可显著膨胀原油（最多31%[24]，降低粘度[25]，并降低油水界面张力[26]。这些机制共同提升了整体采收效率。本研究旨在通过能量/动力学分析评估BPMED在处理不同来源、盐度和成分的自然水体时的性能，采用真实海水、地下水和地表淡水作为实验对象，严格研究了电压、体积比、成分和盐度对酸化过程及能耗的影响，同时进行了离子迁移分析，为评估BPMED在多样水体中的应用提供了关键依据。

部分摘录

样品采集

样品来自三种水源：海水、地下水和地表淡水。海水取自厄瓜多尔沿海4公里处的太平洋海域，以减少悬浮固体的干扰；地下水来自圣埃琳娜省（Santa Elena）富含方解石、石膏和岩盐的沉积盆地的井中；地表淡水取自瓜亚斯省（Guayas）的湖泊。采样时测量了现场pH值

水化学成分

海水、地下水和淡水样品的化学成分（Ca²⁺、Mg²⁺、SO₄^2?、Cl^?、K⁺、Na⁺、HCO₃^?、总溶解固体（TDS）、电导率（EC）和pH值）概览了样本的化学特性。这些样本代表了不同盐度（高、中、低）和碱度的代表类型。由于有机物可能影响BPMED性能[40]，因此分析了总

结论

双极膜电渗析（BPMED）是一种技术上可行的方法，可在无需化学添加剂的情况下将水酸化至H₂CO₃浓度达到99%。实验表明，电导率和碳酸氢盐浓度对反应动力学至关重要：高电导率提高电流密度，低碳酸氢盐浓度加速酸化过程

作者贡献声明

斯蒂芬·韦尔德泽托-因特里亚戈（Steeven Verdezoto-Intriago）：撰写初稿，负责研究工作。乔纳森·I·门德斯-鲁伊斯（Jonathan I. Mendez-Ruiz）：方法论设计，数据分析。凯文·弗兰科-冈萨雷斯（Kevin Franco-González）：软件开发，数据分析。贾奎琳·E·科博斯（Jacquelin E. Cobos）：数据分析，概念框架构建。埃米尔·R·科尔内利森（Emile R. Cornelissen）：撰写、审稿与编辑，可视化处理，结果验证及指导。普里西拉·E·瓦尔韦德-阿尔马斯（Priscila E. Valverde-Armas）：撰写、审稿与编辑，资源协调。莱昂纳多·A·古铁雷斯（Leonardo A. Gutiérrez）：撰写、审稿与编辑，指导，资源调配。

作者声明不存在可能影响本文研究结果的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢比利时联邦政府的能源转型基金（Energy Transition Fund）自去年11月起对本项目的支持，以及Genesys-UK公司提供的Membrane Master V.5软件和模拟协助。本研究得到了“先进水处理技术设计与应用”项目（Design and Application of Advanced Technologies for Water Treatment）框架下地球科学硕士学位课程的支持。