引言
近日，美国范德堡大学林士弘与科罗拉多州立大学仝铁铮团队，在自然水（Nature Water）杂志上发表的电渗析结晶技术，实现了不依赖蒸发过程的盐水结晶，为废水零排放提供了新思路。
研究背景
废水零排放（ZLD）是前沿的浓盐水管理方法，也是水循环经济的关键组成部分。废水零排放一般由浓缩和结晶两个部分组成，通过将含盐废水浓缩到较高浓度后加热蒸发实现盐的结晶，并且过程中无任何废液产生。然而，当前技术很难高效节能地实现废水零排放。主流的反渗透（RO）浓缩技术，仅能将盐水浓缩至有限浓度范围。而现有的结晶技术仍依赖于能耗较高的蒸发结晶过程，如机械蒸气压缩（MVC），其废水浓缩和结晶过程的能耗分别高达 30-40 kWh m-3 和 50 kWh m-3 以上。
破局：电渗析过程中实现结晶
传统电渗析技术（ED）是一种电化学脱盐浓缩过程。在此基础上，范德堡大学林士弘和科罗拉多州立大学仝铁铮团队展示了一种新的电渗析结晶技术（EDC），仅通过电场驱动使盐水浓缩结晶而无需任何蒸发过程。与传统的电渗析不同，电渗析结晶中的浓水采用饱和盐溶液循环运行，当浓度不断上升且高于盐溶解度时逐渐产生晶体（图 1a）。浓水可在低温下持续地原位结晶，或经采样后在外部降温结晶（图 1b,c）。
对于不同种类的盐，其盐 - 水的跨膜通量之比（Js/Jw）高于其溶解度是盐结晶的必要条件。在电渗析过程中，仅有离子的电迁移有利于浓水中盐浓度的上升，而离子的反向扩散和水的（电）渗透会导致的下降（图 3a）。对于溶解度较低的盐，如硫酸钠，硫酸钾和硝酸钾，常规运行条件下即可实现结晶；而对于溶解度较高的盐，如氯化钾和氯化钠，我们则需要使用更好的膜（低水通量的离子交换膜）和运行条件（更高的电流密度，更高的淡水浓度和更低的浓水体积）来使浓水达到过饱和状态形成结晶（图 3b）。
系统能耗分析
EDC 与 RO 的耦合系统能实现低能耗下的废水零排放。单独使用 EDC 实现废水零排放的能耗较高。而 RO 可将 EDC 的淡室出水浓缩并再次回流入 EDC 作为淡室进水，同时产生纯净水，从而实现低能耗的废水零排放（图 4a）。EDC-RO 的系统能耗随着 ED 进水浓度的提高而上升，在处理质量分数为 12% 的硫酸钠进水时，整个系统的能耗仅有 19-26 kWh m-3，远低于 MVC，展现出了高效的零排放系统潜力（图 4b）。
产业化前景如何
我们在这项研究中证明了 EDC 可以在没有蒸发过程的情况下，仅利用电场从高浓度的单一盐溶液中获得高溶解度盐的结晶。EDC 成功的关键在于离子交换膜上的高效离子传递和有限的水迁移，以使浓水的浓度能够超过目标盐的溶解度。针对硫酸钠结晶的系统能耗结果显示，EDC 具有成为废水零排放结晶过程的潜力。若要走上产业化道路，需要更深入而系统地分析盐的种类、运行条件和膜的性能对结晶效果和单位废水处理成本的影响。未来通过进行中试规模的实验，可以了解 EDC 性能的稳定性并为技术经济分析提供依据。此外，通过开发较低水迁移的离子交换膜，研究混合盐废水和实际废水情况下的结晶情况，可进一步提升 EDC 的能效和应用范围。
参考文献
Zhang, X., Yao, Y., Horseman, T. et al. Electrodialytic crystallization to enable zero liquid discharge. Nat Water 1, 547 – 554 ( 2023 ) . https://doi.org/10.1038/s44221-023-00095-4
作者：张旭东
编辑：酥鱼
排版：尹宁流
研究团队
（共同）通讯作者 林士弘：范德堡大学土木与环境工程系及化工与生物分子工程系副教授。2006 年本科毕业于哈尔滨工业大学环境工程系，2012 年博士毕业于杜克大学环境工程系。2013-2014 年在耶鲁大学从事博士后研究。主要从事与水相关的分离过程研究，旨在解决可持续发展所面临的与水相分离相关的核心技术挑战。目前的具体研究方向包括水处理与淡化，用于资源回收或提取的选择性溶质分离，及高盐废水的处理。在领域内高度认可的期刊上发表文章 100 余篇，引用超过 9700，H 因子为 50。获行业内多项荣誉，包括 Blavatnik 美国 - 以色列科学论坛受邀演讲者（2023）, Clarivate 高引学者（2022），美国水研究基金 Paul L. Busch 奖 ( 2020 ) ，北美华人环境工程与科学教授协会 ( CAPEES ) 新晋研究者奖 ( 2020 ) 等。目前为 CAPEES 的主席，并在多个学术期刊担任编辑或编委。
（共同）通讯作者 仝铁铮：科罗拉多州立大学土木与环境工程系副教授。2008 年本科毕业于北京师范大学环境学院，2010 年硕士毕业于清华大学环境学院，2015 年博士毕业于美国西北大学土木与环境工程系，并曾在 2015-2017 年于耶鲁大学进行博士后研究。目前其课题组的主要研究方向包括： ( 1 ) 针对浓盐水（hypersaline brine）的处理与资源化技术； ( 2 ) 无机矿物在水 - 膜界面的生成机制与控制策略；以及 ( 3 ) 人工智能在膜材料与过程设计中的应用。仝铁铮博士目前在 Nature Water, Nature Communications, Environmental Science & Technology ( 20 篇 ) , Energy & Environmental Science 等国际顶尖杂志发表论文近 70 篇，总引用超过 4500 次，H-index 为 33，其获得北美华人环境工程与科学教授协会 ( CAPEES ) 新晋研究者奖，美国自然科学基金会 CAREER Award、美国环境工程与科学院 40 under 40 Award、ACS ES&T Engineering 最佳论文奖、国家优秀自费留学生奖学金、以及北美膜学会青年膜科学家奖。
（共同）第一作者 张旭东：范德堡大学土木与环境工程系博士生。本科及硕士分别毕业于山东大学和清华大学。主要研究方向为基于电化学的脱盐及资源回收。
（共同）第一作者 姚翊群：科罗拉多州立大学土木与环境工程系博士生。本科及硕士均毕业于科罗拉多大学博尔德分校。主要研究方向为浓盐水的处理以及对膜法脱盐阻垢剂的研究。
论文信息
发布期刊Nature Water
发布时间 2023 年 6 月 12 日
论文标题 Electrodialytic crystallization to enable zero liquid discharge
( DOI：https://www.nature.com/articles/s44221-023-00095-4）
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