今天小編分享的科學經驗：告别蒸發時代！電滲析結晶技術為廢水零排放帶來曙光，歡迎閲讀。
引言
近日，美國範德堡大學林士弘與科羅拉多州立大學仝鐵铮團隊，在自然水（Nature Water）雜志上發表的電滲析結晶技術，實現了不依賴蒸發過程的鹽水結晶，為廢水零排放提供了新思路。
封面文章：《電滲析結晶實現廢水零排放》
論文截圖
研究背景
廢水零排放（ZLD）是前沿的濃鹽水管理方法，也是水循環經濟的關鍵組成部分。廢水零排放一般由濃縮和結晶兩個部分組成，通過将含鹽廢水濃縮到較高濃度後加熱蒸發實現鹽的結晶，并且過程中無任何廢液產生。然而，當前技術很難高效節能地實現廢水零排放。主流的反滲透（RO）濃縮技術，僅能将鹽水濃縮至有限濃度範圍。而現有的結晶技術仍依賴于能耗較高的蒸發結晶過程，如機械蒸氣壓縮（MVC），其廢水濃縮和結晶過程的能耗分别高達 30-40 kWh m-3 和 50 kWh m-3 以上。
破局：電滲析過程中實現結晶
傳統電滲析技術（ED）是一種電化學脱鹽濃縮過程。在此基礎上，範德堡大學林士弘和科羅拉多州立大學仝鐵铮團隊展示了一種新的電滲析結晶技術（EDC），僅通過電場驅動使鹽水濃縮結晶而無需任何蒸發過程。與傳統的電滲析不同，電滲析結晶中的濃水采用飽和鹽溶液循環運行，當濃度不斷上升且高于鹽溶解度時逐漸產生晶體（圖 1a）。濃水可在低温下持續地原位結晶，或經采樣後在外部降温結晶（圖 1b,c）。
圖 1. ( a ) EDC 示意圖。 ( b ) 連續結晶和序批結晶模式示意圖。 ( c ) 晶體產量随結晶模式、電流密度和時間的變化。
圖 2. 從 ( a ) 連續結晶和 ( b ) 序批結晶 EDC 過程中析出硫酸鈉晶體。
對于不同種類的鹽，其鹽 - 水的跨膜通量之比（Js/Jw）高于其溶解度是鹽結晶的必要條件。在電滲析過程中，僅有離子的電遷移有利于濃水中鹽濃度的上升，而離子的反向擴散和水的（電）滲透會導致的下降（圖 3a）。對于溶解度較低的鹽，如硫酸鈉，硫酸鉀和硝酸鉀，常規運行條件下即可實現結晶；而對于溶解度較高的鹽，如氯化鉀和氯化鈉，我們則需要使用更好的膜（低水通量的離子交換膜）和運行條件（更高的電流密度，更高的淡水濃度和更低的濃水體積）來使濃水達到過飽和狀态形成結晶（圖 3b）。
圖 3. ( a ) EDC 鹽結晶機理圖。 ( b ) 鹽溶解度與鹽 - 水的跨膜通量之比（Js/Jw）的比較。
系統能耗分析
EDC 與 RO 的耦合系統能實現低能耗下的廢水零排放。單獨使用 EDC 實現廢水零排放的能耗較高。而 RO 可将 EDC 的淡室出水濃縮并再次回流入 EDC 作為淡室進水，同時產生純淨水，從而實現低能耗的廢水零排放（圖 4a）。EDC-RO 的系統能耗随着 ED 進水濃度的提高而上升，在處理質量分數為 12% 的硫酸鈉進水時，整個系統的能耗僅有 19-26 kWh m-3，遠低于 MVC，展現出了高效的零排放系統潛力（圖 4b）。
圖 4. ( a ) EDC-RO 耦合系統示意圖。 ( b ) 系統能耗随進水濃度的變化。
產業化前景如何
我們在這項研究中證明了 EDC 可以在沒有蒸發過程的情況下，僅利用電場從高濃度的單一鹽溶液中獲得高溶解度鹽的結晶。EDC 成功的關鍵在于離子交換膜上的高效離子傳遞和有限的水遷移，以使濃水的濃度能夠超過目标鹽的溶解度。針對硫酸鈉結晶的系統能耗結果顯示，EDC 具有成為廢水零排放結晶過程的潛力。若要走上產業化道路，需要更深入而系統地分析鹽的種類、運行條件和膜的性能對結晶效果和部門廢水處理成本的影響。未來通過進行中試規模的實驗，可以了解 EDC 性能的穩定性并為技術經濟分析提供依據。此外，通過開發較低水遷移的離子交換膜，研究混合鹽廢水和實際廢水情況下的結晶情況，可進一步提升 EDC 的能效和應用範圍。
參考文獻
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：張旭東
編輯：酥魚
排版：尹寧流
研究團隊
（共同）通訊作者 林士弘：範德堡大學土木與環境工程系及化工與生物分子工程系副教授。2006 年本科畢業于哈爾濱工業大學環境工程系，2012 年博士畢業于杜克大學環境工程系。2013-2014 年在耶魯大學從事博士後研究。主要從事與水相關的分離過程研究，旨在解決可持續發展所面臨的與水相分離相關的核心技術挑戰。目前的具體研究方向包括水處理與淡化，用于資源回收或提取的選擇性溶質分離，及高鹽廢水的處理。在領網域内高度認可的期刊上發表文章 100 餘篇，引用超過 9700，H 因子為 50。獲行業内多項榮譽，包括 Blavatnik 美國 - 以色列科學論壇受邀演講者（2023）, Clarivate 高引學者（2022），美國水研究基金 Paul L. Busch 獎 ( 2020 ) ，北美華人環境工程與科學教授協會 ( CAPEES ) 新晉研究者獎 ( 2020 ) 等。目前為 CAPEES 的主席，并在多個學術期刊擔任編輯或編委。
（共同）通訊作者 仝鐵铮：科羅拉多州立大學土木與環境工程系副教授。2008 年本科畢業于北京師範大學環境學院，2010 年碩士畢業于清華大學環境學院，2015 年博士畢業于美國西北大學土木與環境工程系，并曾在 2015-2017 年于耶魯大學進行博士後研究。目前其課題組的主要研究方向包括： ( 1 ) 針對濃鹽水（hypersaline brine）的處理與資源化技術； ( 2 ) 無機礦物在水 - 膜界面的生成機制與控制策略；以及 ( 3 ) 人工智能在膜材料與過程設計中的應用。仝鐵铮博士目前在 Nature Water, Nature Communications, Environmental Science & Technology ( 20 篇 ) , Energy & Environmental Science 等國際頂尖雜志發表論文近 70 篇，總引用超過 4500 次，H-index 為 33，其獲得北美華人環境工程與科學教授協會 ( CAPEES ) 新晉研究者獎，美國自然科學基金會 CAREER Award、美國環境工程與科學院 40 under 40 Award、ACS ES&T Engineering 最佳論文獎、國家優秀自費留學生獎學金、以及北美膜學會青年膜科學家獎。
（共同）第一作者 張旭東：範德堡大學土木與環境工程系博士生。本科及碩士分别畢業于山東大學和清華大學。主要研究方向為基于電化學的脱鹽及資源回收。
（共同）第一作者 姚翊群：科羅拉多州立大學土木與環境工程系博士生。本科及碩士均畢業于科羅拉多大學博爾德分校。主要研究方向為濃鹽水的處理以及對膜法脱鹽阻垢劑的研究。
論文信息
發布期刊Nature Water
發布時間 2023 年 6 月 12 日
論文标題 Electrodialytic crystallization to enable zero liquid discharge
( DOI：https://www.nature.com/articles/s44221-023-00095-4）
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