Water Research：电渗析作为一种具有成本效益的替代方法用于微咸水脱盐

第一作者：Sohum K. Patel

通讯作者：Menachem Elimelech

通讯单位：耶鲁大学

DOI：10.1016/j.watres.2023.121009

研究背景

微咸水中的溶质浓度较低，相对于海水淡化可以达到更高的水回收率，反渗透技术可以有选择性地允许水分子通过溶质的半透膜，从而将含盐给水分离成贫盐产品水和浓缩盐水。由于其低成本，高能量效率和易于操作，目前占咸淡水淡化能力的80%以上。然而反渗透是一个压力驱动的过程，需要能量输入来将给水加压到高于流出盐水流渗透压的值。与压力驱动的RO不同，电渗析(ED)的工作原理是在电场下通过高电荷离子交换膜传输离子。当交替的阳离子和阴离子交换膜在堆叠配置中使用时，盐水被有效地脱盐并集中在相邻的隔间中。由于ED和RO中水盐分离的不同机制，因此无法将这两种机制直接比较。从前期研究中发现ED是电驱动的过程，其能耗与运输的盐离子数量成正比，当其应用于低盐度的微咸水时比RO具有更明显的优势。前期工作虽然确定了优化RO和ED分离效率的最佳工艺参数，但目前仍缺乏对ED技术全面而实用的评估。

内容简介

虽然电渗析（ED）在低盐度水淡化中显示出比反渗透（RO）更低的能耗，但RO仍然是占优势的淡化卤水技术。本项研究探讨了这种扭曲的市场份额，并通过系统评估水的等值化成本（LCOW），展望了ED在未来通过对资本和运营支出之间的重要权衡进行系统评估，来打破这种扭曲的市场份额并预测未来的潜力。研究发现，ED在进料盐度≤3 g L-1时比RO更经济；对于更高的进料盐度（≥5 g L-1），我们揭示了通过降低离子交换膜阻力来有效降低ED的LCOW，同时保持高电流效率。总而言之，与RO相比，通过降低离子交换膜的价格并提高性能， ED可以成为整个卤水盐度范围内经济上更可取的技术。

图文导读

结果表明，当饲料盐度为1 g L-1时，当生产力在100 L m-2 h-1时最大化时，RO和ED的LCOW都最小。这个结果是合理的，因为在如此低的饲料盐度下，脱盐的能源消耗相对较小，LCOW由CAPEX主导。因此，最小化有效膜面积(即以最高生产率运行)的系统在成本方面更有利。然而，当饲料盐度增加到1 g L-1以上，并且需要更大程度的水盐分离时，能量消耗对总LCOW的贡献变得越来越普遍。因此，在运营成本和资本支出之间开始出现一种权衡，即在高生产率下运行的能量成本不再被相应的膜面积减少所抵消。因此，随着饲料盐度的增加，Γopt值通常会向较低的值移动。

结果表明，当饲料盐度为3 g L-1时，ED技术具有经济优势，而当饲料盐度≥5 g L-1时，RO技术的LCOW较低。值得注意的是，在5 g L-1以上，随着饲料盐度的增加，RO和ED的LCOW差异急剧增加，在10 g L-1时达到0.21美元的差异。相比之下，在饲料盐度为1 g L-1时，ED提供的最大优势仅为0.04美元。因此，虽然选择最佳技术可能主要取决于高盐度给水操作的成本(即支持反渗透)，但其他考虑因素，如操作的便利性和环境影响，可能会影响低盐度给水的技术选择。

对于1 g L-1的进料盐度，彩色图中几乎所有值的大小都是负的，这表明对于大多数反渗透和ED膜价格组合而言，ED是成本较低的技术。当饲料盐度增加到3 g L-1时， ED的相对优势开始减弱。结果还表明，如果离子交换膜的成本不降低，当反渗透膜价格< 24.31美元m-2时，反渗透技术将成为经济上有利的技术。目前报道的最低反渗透膜成本为10美元m-2，我们发现离子交换膜的价格必须低于57美元m-2才能使ED具有竞争力。在ED和RO都达到其最低价格点的情况下，ED仍然保持0.04美元m-2的成本优势。因此，我们预计，随着离子交换膜价格的降低，ED可能保持成本竞争力，并且在3 g L-1及饲料盐度以下的应用中可能会增长。

上图结果表明，膜性能对ED的LCOW的相对影响很大程度上取决于给水盐度，在较高的给水盐度下，膜性能优化的影响要大得多，因为在较高的给水盐度下，电力成本(即能耗)较高，电流效率相对较低。对于3 g L-1的进料盐度，ED的电流效率在大多数膜扩散系数中仍然相对较高(> 80%，图A8)。因此，在这种饲料盐度下，ED的LCOW(或SEC)对膜阻力的增加表现出更大的敏感性。然而，当进料盐度增加到5 g L-1及以上时，高透膜对电流效率的不利影响变得越来越明显，与膜阻力的增加相比，膜扩散系数的增加使LCOW的增加更为急剧。然而，当膜电荷密度保持在低水平时，通过增加膜扩散系数来降低膜阻力是一个很大的问题。

如果离子交换膜的性能可以得到提高，其成本可以大大降低。上图结果表明，相对于RO, ED可以作为更经济的技术用于整个咸淡水淡化。虽然SEC总体上显示出与LCOW相似的趋势，但应该注意的是，即使使用优化的离子交换膜(即更低的电阻和更优的渗透选择性)，ED的能耗仍然略高于RO。然而，当离子交换膜价格与反渗透膜价格相等时，由于反渗透中高压泵的成本相对较高，ED的总体资金成本明显低于反渗透。因此，尽管在饲料盐度≥5 g L-1的较高SEC下运行，优化ED的LCOW仍低于RO。

总结与展望

尽管电渗析（ED）在低盐度和高回收率的半咸水淡化中具有卓越的能源效率，但反渗透（RO）目前仍主导半咸水淡化市场。通过本研究通过严谨分析，对这种技术采用的不均衡情况进行了研究。

研究表明，在盐度为3 g/L以下的情况下，ED是经济上有利的技术。当盐度超过3 g/L时，我们发现ED中的过程效率低下反映在膜和电力成本上升，迅速推高了ED的LCOW，并为RO提供了巨大的经济优势。通过降低离子交换膜的成本和增强其性能来缩小RO和ED在较高盐度下的LCOW差距的研究表明，尽管降低离子交换膜价格被认为是巩固ED在低盐度半咸水中的地位的高效方法，但我们发现在盐度≥5 g/L的情况下，为了与RO达到收支平衡，需要大幅降低离子交换膜的价格。因此，单凭降低离子交换膜价格可能不足以将ED的应用扩展到更高盐度的半咸水。然而，预计在未来几年离子交换膜的成本将在水能源领域出现新应用并有更多膜制造商进入市场，这将在ED的未来发展中发挥关键作用。

增强ED的性能对于在高盐度应用中与RO竞争至关重要。我们推断优化离子交换膜性能，特别是膜电荷密度（最大化膜电荷密度，同时保持相对较低的膜扩散系数），将是减轻ED在高盐度下效率低下的最有效方法，为未来的膜材料开发提供了明确的目标。尽管通过降低离子交换膜价格或优化膜性能可以实现ED的LCOW大幅降低，但我们确定这两种策略需要同时采用，才能使ED成为整个半咸水盐度范围内比RO更具成本效益的技术，才有可能最终取代目前由RO主导的微咸水淡化市场。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.121009

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