據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2016—2018年我國平均工業(yè)用水量維持在3 005.5億m3左右，占全國用水量的1/5以上，且用水效率偏低。

2017年我國工業(yè)廢水排放量為690億t，高鹽工業(yè)廢水占5%，每年增長率為2%。同時(shí)我國工業(yè)用水重復(fù)率較低，僅為發(fā)達(dá)國家的1/2。2019年《國家節(jié)水行動(dòng)方案》提出“規(guī)模以上工業(yè)用水重復(fù)利用率達(dá)到91%以上”。因此對高鹽工業(yè)廢水進(jìn)行資源化利用已成為一種日益增長的趨勢，廢水資源化利用不僅可以最大限度地減少排放廢水的排放量和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，而且還可以減輕淡水提取對生態(tài)系統(tǒng)造成的壓力。

通過再利用，廢水不再被視為一種“純廢物”，不再對環(huán)境造成巨大危害，而是一種額外的資源，以實(shí)現(xiàn)水的可持續(xù)性利用。

電滲析（electrodialysis，ed）是一種有效的資源化技術(shù)，在處理高鹽有機(jī)廢水領(lǐng)域具有操作簡單、處理范圍廣泛、無二次污染等特點(diǎn)，但其存在淡水回收率低、能耗高、回收資源能力較差等缺陷，因此，需對電滲析技術(shù)進(jìn)行不斷地完善及改進(jìn)。

目前，改進(jìn)途徑主要為通過開發(fā)新型離子交換膜提升其選擇性從而回收稀有金屬離子，通過改善膜堆結(jié)構(gòu)提高其淡水回收率與資源回收率，以及將ed與其他工藝進(jìn)行耦合，在保持高資源回收率的同時(shí)，節(jié)省能耗，降低成本。

筆者從工藝優(yōu)化及耦合工藝開發(fā)兩個(gè)方面對電滲析處理高鹽廢水的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并對未來電滲析技術(shù)研究重點(diǎn)進(jìn)行展望，以期為高鹽工業(yè)廢水資源化提供參考。

01 高鹽工業(yè)廢水性質(zhì)及其主流處理工藝

高鹽工業(yè)廢水所含鹽類物質(zhì)多由cl-、so42-、na+、ca2+等離子構(gòu)成，且含有一定量有機(jī)物和至少1%的總含鹽量。這種廢水污染物成分復(fù)雜，難降解有機(jī)物和有毒污染物濃度相對較高，不僅會造成環(huán)境污染，腐蝕處理設(shè)備，還會引起土壤的鹽堿化，且處理難度較大、處理成本較高。

其主要來源于發(fā)電、化工、制藥、印染、造紙、食品加工和海水淡化等生產(chǎn)工業(yè)。

目前處理高鹽工業(yè)廢水的主流方法有熱濃縮技術(shù)與膜濃縮技術(shù)，其中熱濃縮技術(shù)包括多級閃蒸（multistage flashing systom，msf）、多效蒸發(fā)（multiple effect distillation，med）和機(jī)械式蒸汽再壓縮（mechanical vapor recompression，mvr）技術(shù)等，而膜濃縮技術(shù)包括納濾（nanofiltration，nf）、反滲透（reverse osmosis，ro）、ed、膜蒸餾（membrane distillation，md）以及正滲透（forward osmosis，fo）等。

與其他技術(shù)相比，ed具有操作方便、脫鹽成本較低、除鹽過程中不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，從而成為高鹽工業(yè)廢水資源化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

02 電滲析處理高鹽工業(yè)廢水的研究現(xiàn)狀

ed是一種電驅(qū)動(dòng)的過程，在膜兩側(cè)電場的推動(dòng)下，溶液中陽離子向陰極遷移被陰離子交換膜（anion exchange membrane，aem）所阻擋，溶液中陰離子向陽極遷移被陽離子交換膜（cation exchange membrane，cem）所阻擋，最終結(jié)果是溶液中的離子耗盡，其所在隔室稱之為淡室，離子被集中到交替的隔室中，這個(gè)隔室稱之為濃室，從而對料液進(jìn)行脫鹽、濃縮和提純等過程。

傳統(tǒng)的除鹽工藝在一定程度上都具有局限性，如離子交換法在除鹽過程中容易產(chǎn)生二次污染，md操作費(fèi)用高，而且能耗高，ro需要較高的操作壓力，成本較高。

因此，尋找環(huán)保且低能耗的除鹽工藝成為了當(dāng)下處理高鹽工業(yè)廢水的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而ed技術(shù)克服了以上傳統(tǒng)方法的局限性，在高鹽工業(yè)廢水資源化中日益得到重視。

目前，傳統(tǒng)的單一ed技術(shù)已無法滿足對廢水和鹽同時(shí)回收利用的需求，人們通過對ed工藝進(jìn)行優(yōu)化，或與其他工藝進(jìn)行耦合，以實(shí)現(xiàn)對高鹽工業(yè)廢水的資源化利用。

2.1 電滲析工藝優(yōu)化

2.1.1 新型離子交換膜的研發(fā)

隨著ed技術(shù)的快速發(fā)展，常規(guī)的離子交換膜已經(jīng)不能夠滿足工業(yè)廢水處理的要求，新型離子交換膜的開發(fā)與現(xiàn)有離子交換膜的改性是大勢所趨。

新型離子交換膜開發(fā)的主要趨勢包括低電阻、高選擇性膜的開發(fā)，表面改性技術(shù)的進(jìn)步，異形膜的開發(fā)，實(shí)施無間隔堆疊，降低制造成本。

m. irfan等在膜研制過程中，通過調(diào)節(jié)aem上帶正電的銨基和聚合物主鏈的烷基間隔基的疏水性，獲得了較高的陰離子選擇性和較低的膜溶脹度。

xiaoyao wang等采用水化能效應(yīng)和孔徑篩分效應(yīng)制備具有單價(jià)陰離子選擇性的aem，有效提高了膜的滲透選擇性。

junbin liao等以帶正電的咪唑功能化聚芳醚砜（paes）和帶負(fù)電的磺化聚砜（spsf）為基礎(chǔ)，制備了單價(jià)陰離子選擇性離子交換膜；通過調(diào)整spsf的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，優(yōu)化后的aem在電流密度為2.5 ma/cm2時(shí)溶脹率低至10.9%，而cl-/so42-陰離子選擇性高達(dá)21.80。

同名離子指與膜的固定活性基所帶電荷相同的離子，根據(jù)唐南（donnan）平衡理論，離子交換膜的選擇透過性不可能達(dá)到100%。再加上膜外溶液濃度過高的影響，在cem中會進(jìn)入個(gè)別陰離子，同樣aem中也會進(jìn)入個(gè)別陽離子從而降低除鹽效率。

通過增加離子交換膜交換容量和降低離子交換膜含水率，從而減弱同名離子遷移、滲析和滲透等非理想狀態(tài)，前者提高donnan效應(yīng)靜電斥力作用，后者提高膜疏水性。

hanqing fan等通過改變離子交換容量來調(diào)節(jié)節(jié)能參數(shù)，在保持滲透選擇性的同時(shí)降低膜的電阻，提高了整體電導(dǎo)率。

jiefeng pan 等對膜進(jìn)行改性，將聚乙烯亞胺共價(jià)固定在陰離子交換膜表面，與未改性的離子交換膜相比，滲透選擇性從0.79提高到4.27，so42-泄漏率從39.6%降低到19.4%，并且具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性。

膜透選擇性是獲得良好性能的關(guān)鍵，同時(shí)外加電流密度、濃度的變化以及二價(jià)離子與一價(jià)離子的濃度比對其選擇性存在著影響。

李福勤等采用單價(jià)選擇性離子交換膜ed對污酸中的二價(jià)離子進(jìn)行分離，經(jīng)過多次試驗(yàn)，污酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，zn2+、cd2+質(zhì)量濃度分別為20、5mg/l，電流密度為25 ma/cm2，進(jìn)水流量為15 l/h，運(yùn)行時(shí)間為168 min的最佳條件下，淡水室中h+的透過率達(dá)到85%，zn2+和cd2+泄漏率均為12.86%。

2.1.2 多功能電滲析膜堆構(gòu)建

在傳統(tǒng)ed系統(tǒng)中，通過交替排列cem與aem形成極室、稀釋室與濃縮室。然而傳統(tǒng)膜堆存在能耗高、電流效率低、脫鹽率低、電阻高等諸多缺陷。通過對膜堆的創(chuàng)新，不僅可以滿足對不同廢水的處理要求，而且可以降低能耗，提高工藝效率，將廢料資源化。

fuqiang chen等采用自行設(shè)計(jì)的陰離子交換樹脂耦合三室電滲析（rted）去除裝置（圖1）對n-甲基二乙醇胺（mdea）廢水進(jìn)行處理，廢水中熱穩(wěn)定鹽（heat stable salts，hss）的去除率約為93.84%，比傳統(tǒng)三室ed高7.88%，比傳統(tǒng)二室ed高28.57%，且rted的mdea損失率很低。由于在稀釋室填充陰離子交換樹脂，rted造成的膜污染也很少。

qingbai chen等通過改變膜堆結(jié)構(gòu)（樹脂填充電極電池和不對稱膜對設(shè)計(jì)）并且優(yōu)化流入模式（電解質(zhì)平行流動(dòng)和稀釋/濃縮逆流），降低了ed脫鹽過程的能耗。該新型ed與傳統(tǒng)ed對高鹽工業(yè)廢水進(jìn)行脫鹽的性能對比見表1。

yuyan cai等提出了一種新型鎂陽極ed，陽極氧化產(chǎn)生的鎂離子與高鹽工業(yè)廢水中的磷酸鹽和氨氮反應(yīng)生成鳥糞石沉淀，以實(shí)現(xiàn)資源化利用。新型鎂陽極ed與鎂陽極電解法從高鹽工業(yè)廢水中資源化回收磷酸鹽效能對比見表2。

2.1.3 雙極膜在電滲析中的應(yīng)用

雙極膜電滲析（bipolar membrane electrodialysis，bmed）中使用的雙極膜是一種新型離子交換膜，它通常由陰離子交換層、陽離子交換層和中間層復(fù)合而成。bmed技術(shù)可在不引入其他組分的情況下同時(shí)實(shí)現(xiàn)高鹽工業(yè)廢水脫鹽與酸堿制備，提高高鹽工業(yè)廢水資源化利用率。

同時(shí)，bmed的處理產(chǎn)物可部分回用于高鹽工業(yè)廢水處理系統(tǒng)，在產(chǎn)物利用價(jià)值等方面更具優(yōu)勢。

k. ghysel?brecht等通過bmed轉(zhuǎn)化nacl生成hcl和naoh，并將naoh用作co2的捕捉劑；

a. t. k. tran等通過bmed轉(zhuǎn)化na2so4制得h2so4和naoh用于工業(yè)生產(chǎn)中；

s. bunani等使用均相離子交換膜通過bmed法從水溶液中同時(shí)分離和回收b和li，在外加電壓15 v和初始樣品體積0.5 l的最佳條件下，li的分離回收率分別為99.6%和88.3%，b的分離率和回收率分別為72.3%和70.8%，這表明，在li去除與回收方面bmed大有前景。bmed與其他方法在li去除方面的效果對比見表3。

由表3可知，nf對mg2+有很好的截留作用，電容去離子（capacitive deionization，cdi）與bmed在不調(diào)整各種操作參數(shù)時(shí)對li的去除效果一般，bmed通過調(diào)整溶液ph、施加電壓、膜的性質(zhì)，可將li的去除率提升至97.8%，在此基礎(chǔ)上，改變?nèi)芤毫魉?，可將li的去除率提升至99%。

2.2 電滲析與其他工藝耦合處理高鹽工業(yè)廢水

2.2.1 電滲析與納濾耦合處理高鹽工業(yè)廢水

對于同時(shí)含有一、二價(jià)離子的高鹽工業(yè)廢水，如何實(shí)現(xiàn)資源化脫鹽是目前研究的熱點(diǎn)之一。

nf是一種壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離過程，nf膜通過尺寸排斥和donnan效應(yīng)的機(jī)制保留多價(jià)離子，這使得nf成為從復(fù)雜進(jìn)料液中選擇性分離二價(jià)離子的有效工具。

因此，nf與ed耦合可有效避免離子交換膜結(jié)垢并獲得較高的水回收率。

wenyuan ye等將膜作為ed中的aem用于染料與鹽的分離，通過基于松散nf的ed工藝使印染廢水的染料回收率和脫鹽效率分別達(dá)到99.4%和98.9%。該工藝可實(shí)現(xiàn)對印染廢水的高效資源化處理，同時(shí)也為類似高鹽工業(yè)廢水的可持續(xù)處理開辟了新途徑。

yufei zhang等提出nf-ed集成系統(tǒng)，利用nf將一二價(jià)離子分離，之后nf滲透液和保留液都被送到ed進(jìn)行復(fù)分解，通過ed復(fù)分解，制備了高溶解度的鹽（cacl2和na2so4），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)資源化利用，其工藝流程見圖2。相比于ro處理印染廢水，nf-ed具有高淡水回收率、高資源回收率、低能耗和低污染的特點(diǎn)。

2.2.2 電滲析與反滲透耦合處理高鹽工業(yè)廢水

ro是以壓力為推動(dòng)力，從溶液中分離出溶劑的膜分離過程。在電滲析與反滲透耦合處理（ed-ro）過程中，原水與經(jīng)ro單元處理后的濃水中的一部分作為ed單元淡室進(jìn)水，部分脫鹽后的淡水進(jìn)入反滲透單元進(jìn)行脫鹽處理，得到產(chǎn)品水，ro單元處理后的濃水中的另一部分作為 ed 單元濃水進(jìn)水，最終得到系統(tǒng)濃水。

yang zhang等在污水處理廠采用ed系統(tǒng)處理ro濃縮液，使得水回收率達(dá)到95%。在ed過程中，離子遷移會夾帶一定量的水進(jìn)入ed濃縮室，可通過控制濃室循環(huán)水的外排量，最終實(shí)現(xiàn)對原水鹽分的高倍率濃縮。

y. oren等結(jié)合ed和ro的混合工藝可有效回收97%~98%的微咸水。ed-ro工藝高濃縮極限的特點(diǎn)可大幅度降低后續(xù)蒸發(fā)器的處理規(guī)模，進(jìn)而降低趨零排放總體工藝的投資成本和運(yùn)行成本。

2.2.3 電滲析與反向電滲析耦合處理高鹽工業(yè)廢水

反向電滲析（reverse electrodialysis，red）技術(shù)是一種潛在的從高鹽工業(yè)廢水中提取鹽度梯度電能的技術(shù)，通過混合兩股不同鹽度的水流來提取電能，使其成為公認(rèn)的無污染和可持續(xù)的能源。

fabao luo等將red作為ed的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行脫鹽，在red最佳運(yùn)行條件即nacl在濃縮室和稀釋室的質(zhì)量濃度分別為30 g/l和1 g/l，流速為67.5 ml/min時(shí)，既能保持系統(tǒng)脫鹽效率，又可以產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)效益。

qun wang等提出一種red-ed系統(tǒng)，工藝流程見圖3，red作為一種預(yù)脫鹽過程的自然驅(qū)動(dòng)力，以減少含酚廢水鹽度差異，同時(shí)為后階段ed高效脫鹽提供電能，從而減少總體能耗。

與獨(dú)立ed系統(tǒng)相比，red-ed系統(tǒng)的電能消耗更少，并可回收更多的鹽度梯度電能。在高鹽工業(yè)廢水處理過程中，red-ed系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)鹽能利用、高價(jià)值資源回收和低耗脫鹽三重優(yōu)勢。

2.2.4 電滲析與擴(kuò)散滲析耦合處理高鹽工業(yè)廢水

擴(kuò)散滲析（diffusion dialysis，dd）以濃度差為推動(dòng)力，使溶質(zhì)從濃度高的一側(cè)透過膜到濃度低的一側(cè)，當(dāng)膜兩側(cè)濃度達(dá)到平衡時(shí)，滲析過程即停止，具有低能耗、操作簡便、對環(huán)境無污染等特點(diǎn)。

直接采用常規(guī)ed處理大量高鹽工業(yè)廢水，ed中的離子交換膜會受到廢水中高價(jià)離子、蛋白質(zhì)、糖等污染物的污染。采用dd與ed耦合的方法，可減少總體能耗，減少膜污染，提高膜性能。

魏允等先采用dd對賴氨酸（lys）離子交換液進(jìn)行凈化，再通過ed濃縮回收其中的（nh4）2so4。經(jīng)dd后再進(jìn)行ed濃縮，可改善ed性能，so42-膜通量、電流效率均分別比直接ed提高了55.7%和18.3%，能耗分別降低了26.1%和42.3%。

李鵬飛等采用dd-bmed對絲素蛋白溶液進(jìn)行脫鹽，充分發(fā)揮dd低能耗和ed高效脫鹽等優(yōu)勢，在最佳操作參數(shù)條件下，脫鹽率可達(dá)99.93%，絲素蛋白回收率為89.30％，能耗僅為0.03 kw·h/l。

2.2.5 電滲析與萃取耦合處理高鹽工業(yè)廢水

與傳統(tǒng)溶劑萃取技術(shù)相比，將萃取與電滲析相耦合，不僅能夠降低溶劑萃取劑的損失和減少膜污染狀況，并且能夠大幅度提升對目標(biāo)資源的回收率，從而節(jié)省總體成本。

b. florian等采用多階段逆流反應(yīng)萃取法，以二（2-乙基己基）磷酸酯+異十二烷為溶劑，反應(yīng)萃取發(fā)酵γ-氨基丁酸（gaba）溶液，繼而用bmed將gaba鹽進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)gaba回收利用。

zhongwei zhao等設(shè)計(jì)出一種結(jié)合液膜萃?。╨iquid membrane permeation，lmp）和ed特點(diǎn)的夾層液膜電滲析系統(tǒng)，其原理見圖4，夾層液膜由2個(gè)cem和1個(gè)負(fù)載li+的有機(jī)液膜組成，其中有機(jī)液膜優(yōu)選為磷酸三丁酯（tbp）+clo4-體系，這種夾層液膜電滲析法實(shí)現(xiàn)了從高mg、li質(zhì)量比鹽湖鹵水中選擇性回收li。

2.2.6 電滲析與光伏耦合處理高鹽工業(yè)廢水

火力發(fā)電在產(chǎn)生電能的同時(shí)，對環(huán)境造成嚴(yán)重危害。在這種情況下，以光伏（photovoltaic，pv）為發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的能源生產(chǎn)是非常有吸引力的，在發(fā)電能力方面具有更高的靈活性，系統(tǒng)布局更簡單，更容易管理。

c. natasha等建立了一個(gè)pv-ed系統(tǒng)，當(dāng)鹽度為1 000 mg/l時(shí)，pv-ed能耗比ed降低75%，當(dāng)鹽度為3 000 mg/l時(shí)，其能耗比ed降低30%。與ro相比，pv-ed可節(jié)省50%的系統(tǒng)功耗。

haiyang xu等提出了一種小型光伏直接驅(qū)動(dòng)電滲析系統(tǒng)，探討了3種典型天氣對系統(tǒng)性能的影響，見表4，光伏組件提供的電壓受天氣影響，隨著輻射度的減小而減小，由此導(dǎo)致電場驅(qū)動(dòng)力減小，出水達(dá)到水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間變長。

由于高鹽工業(yè)廢水中離子種類較多，ed與不同工藝耦合已成為研究熱點(diǎn)之一。結(jié)合實(shí)際情況，ed與不同工藝進(jìn)行耦合，在保證淡水回收率和資源回收率的同時(shí)，廢水處理成本也有所下降。部分耦合工藝處理高鹽工業(yè)廢水的效能對比見表5。

03 結(jié)論和展望

高鹽工業(yè)廢水的資源化處理已成為業(yè)界共識，ed技術(shù)在高鹽工業(yè)廢水資源化研究領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢，并已取得一定的進(jìn)展，但目前大量研究仍處于實(shí)驗(yàn)階段，為加快研究成果工業(yè)化應(yīng)用，還需進(jìn)一步提升技術(shù)性能，并降低處理成本。

未來在ed技術(shù)研究方面，應(yīng)著重圍繞以下幾個(gè)方面開展工作：

（1）ed技術(shù)的核心為離子交換膜，通過有機(jī)、無機(jī)材料的復(fù)合，集成有機(jī)膜和無機(jī)膜的優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)具有高滲透選擇性、膜污染小、低電阻和良好化學(xué)和熱穩(wěn)定性的離子交換膜。

（2）通過優(yōu)化ed耦合技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，例如調(diào)節(jié)進(jìn)水ph、溶液流速，實(shí)現(xiàn)高鹽廢水資源化和高脫鹽率，進(jìn)一步降低處理成本和投資成本。

（3）由于高鹽工業(yè)廢水中離子種類較多，廢水脫鹽后產(chǎn)生的工業(yè)鹽純度較低，如何提升這些工業(yè)鹽的純度進(jìn)而提升其價(jià)值，將成為近年來研究的熱點(diǎn)。