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2026

EST: 当结垢改变分离，电渗析中无机结垢对能耗与选择性的双重影响

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一、背景：被忽视的“结垢效应”

电渗析（ED）作为一种电驱动膜分离技术，因其能耗低、可规模化和易集成等优势，广泛应用于苦咸水淡化、食品加工以及锂资源回收等领域。尤其在低盐度水处理（≤3 g L⁻¹）和资源化场景中，ED被认为具有与反渗透（RO）竞争的潜力。近年来，研究重点多集中于开发新型离子交换膜（IEM），例如通过调控电荷密度、引入特定功能基团或提高单价离子选择性等方式提升分离性能。然而，在实际运行中，无机结垢（如石膏CaSO₄·2H₂O沉积）往往不可避免，特别是在高回收率或复杂水质条件下。虽然工业上已有预处理、电渗析反转（EDR）、脉冲电场和阻垢剂等手段用于抑制结垢，但在系统波动或控制失效时，仍可能进入“结垢运行”状态。更关键的是，过去的研究主要关注结垢对能耗的影响，而对其如何改变离子选择性的认识仍十分有限。

二、创新：揭示结垢对能耗与选择性的动态耦合机制

近日，新加坡国立大学潘伟一教授联合美国莱斯大学MenachemElimelech院士团队系统探究了石膏结垢在不同运行条件下（20%–100%极限电流密度，流速4–12 mL min⁻¹）对ED性能的影响，并结合实验与Nernst–Planck模型分析，揭示了结垢对系统的双重调控效应。

1. 能耗显著升高

在恒电流模式下，为维持相同脱盐性能，随着石膏沉积形成，膜电压显著上升。结果显示：系统能耗**可增加至无结垢条件下的3倍。这意味着更高的碳足迹和运行成本，削弱ED在低盐度场景中的经济优势。

2. 离子选择性发生剧烈变化

更值得关注的是，结垢不仅造成传质阻力增加，还显著改变了离子迁移行为：在脱盐约30%时，Na⁺/Ca²⁺选择性和Cl⁻/SO₄²⁻选择性变化幅度**可达7倍。模型与实验结果一致表明，这种变化直接源于石膏沉积层对离子迁移路径与界面电场分布的重塑。这一发现表明，结垢层不仅是“物理阻塞层”，更是一个新的离子传输调控界面。

三、意义：从能耗问题走向选择性失控的警示

本研究将无机结垢问题从“能耗增加”提升至“分离机理改变”的层面，具有重要工程与环境意义：

1. 揭示隐藏风险

在资源回收（如锂提取、养分回收）等高附加值应用中，选择性变化可能导致：产品纯度下降，目标离子回收率降低，下游分离成本增加。

2. 指出运行优化方向

研究表明，通过降低电流密度或提高流速可部分缓解能耗上升，但会带来处理通量下降等新的工程权衡问题。

3. 提出监测范式转变

仅依赖压降或总能耗监测不足以识别早期结垢。未来应引入实时离子通量监测，作为判断系统是否进入结垢状态的重要诊断工具。