英文原题：ThermodynamicsandEnergyEfficiencyofZeroLiquidDischarge
通讯作者：林士弘
作者：王若宇、林士弘
随着水资源短缺问题以及废盐水排放导致的环境污染危害日益严峻，实现卤水的（液体）零排放已经成为了卤水处置迫在眉睫的目标。零排放过程要求首先将卤水浓缩至接近饱和，然后通过结晶分离盐和剩余的水。现有的零排放系统通常基于蒸发式的盐水浓缩器和结晶器，造价不菲并且能耗极高。近来的研究表明，将膜技术（如反渗透，正渗透，膜蒸馏，电渗析等）与零液体排放过程耦合可以有效地降低系统成本以及能耗。理解零排放过程的热力学基础不仅可以为能量效率分析提供一个基准，而且有助于我们更好地理解和比较不同的零排放工艺，从而指导更高效的零排放技术的研发设计。为此，范德堡大学的王若宇与林士弘（导师）提出了一个具有普适性的热力学可逆结晶过程，并证明了该可逆过程的能耗等于结晶过程的吉布斯自由能变化。该研究还针对蒸发式零排放过程提出了热力学可逆途径并分析了能耗。结合盐水浓缩以及结晶过程的能耗，该研究进一步计算并比较了不同浓度的不同单盐溶液达到零排放目标所需的最低能耗。最后，他们评估了各种新兴零排放工艺的能耗及能量效率，并与传统蒸发式工艺做了对比。
热力学可逆结晶过程由水回收和盐回收这两个循环重复发生的步骤构建而成（图1）。在每个水回收步骤，假设无穷小质量的纯水从饱和溶液中分离出来，使得剩余溶液过饱和。接着在每个盐回收步骤，假设无穷小质量的盐可以在过饱和的驱动力下结晶并分离出来，使得剩余溶液回到饱和状态。分析表明，由于结晶析出的盐和饱和盐溶液处于热力学平衡，该热力学可逆结晶过程的能耗仅取决于分离回收水的步骤。
图1：（A）零排放的热力学可逆过程流程示意图；（B）热力学可逆的盐结晶过程中水回收率和盐回收率的增长曲线。
蒸发式零排放的热力学可逆途径由蒸发和冷凝两个步骤组成（图2）。假设与盐水处于平衡的水蒸气以极慢的速率被压缩并转移至与纯水处于平衡的水蒸气中并冷凝，并且冷凝释放的热量可以重新被盐水蒸发完全利用。分析证明，该可逆过程的能耗与图1所示的可逆过程相同，且等于吉布斯自由能变化。
图2：蒸发式零排放的热力学可逆途径示意图。
不同单盐溶液达到零液体排放目标所需的最低能耗主要取决于溶液浓度，盐的溶解度，以及盐溶液中水的活度（图3）。总体来说，最低能耗随溶液浓度和盐的溶解度增高而增大。水的活度计算需要考虑非理想溶液性质。
图3：不同浓度的不同单盐溶液达到零排放目标所需的最低能耗。
研究表明膜技术（如反渗透，正渗透，膜蒸馏，电渗析等）可以有效地降低零液体排放过程中盐水浓缩步骤的成本以及能耗。共熔冷却结晶和温差溶剂萃取法等非蒸发过程则可以降低盐结晶步骤的能耗。一个完整的零液体排放工艺流程可以耦合多个不同的技术单元（图4）。
图4：各种适合用于零排放过程的技术单元示意图。
经分析，传统蒸发式浓缩结晶工艺的能量效率只有约13%，而理论上结合不同膜技术及非蒸发式结晶工艺可以将能量效率提高至约20%（图5）。其中，将反渗透技术用于盐水浓缩步骤达到的能量效率提升最为显著。
图5：各种新兴零排放组合工艺的能耗及能量效率。
综上所述，该研究提供了废盐水零液体排放过程的热力学分析及能量效率分析，为评估和比较不同零液体排放工艺提供了基础和方法。目前的零液体排放过程能耗高，能量效率低，还有很大的提升改进空间。结合膜技术的新兴零液体排放工艺理论上可以有效地降低能耗，但大多数过程仍处于研发的初级阶段。
相关论文发表在ACSESTEngineering上，范德堡大学土木与环境工程系博士研究生王若宇为文章的第一作者，林士弘教授为通讯作者。
作者简介：
王若宇
王若宇，范德堡大学土木环境工程系博士研究生。研究方向为膜法水处理技术。已以第一作者在EnvironmentalScienceTechnology，JournalofMembraneScience,JournalofColloidandInterfaceScience，ACSESTEngineering期刊发表论文5篇。
林士弘副教授
林士弘,范德堡大学土木环境工程系及化工系副教授。林教授及其课题组主要研究对象是与水相关的各类分离科学和技术，旨在推动水处理，脱盐，和其他可持续发展技术的发展。林教授团队已在EnvironmentalScienceTechnology,ScienceAdvances,PNAS,NatureCommunications,NatureEnergy,EnergyEnvironmentalSciences等知名期刊发表了多篇论文。林教授还曾获得PaulLBuschAward水业创新奖（）及CAPEES（）新晋研究者奖等殊荣。林教授目前担任Resources,ConservationRecycling，ChemicalEngineeringJournalAdvance,和JournalofWaterProcessEngineering的副主编、及EnvironmentalScienceTechnology，ACSESTEngineering,和JournalofMembraneScienceLetters的编委或青年编委。
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