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电渗析在卤水资源综合利用中的研究进展

刘乾鑫 ,  夏开胜 ,  杨振 ,  孟伊 ,  田云峰 ,  池波 ,  吴益尔 ,  刘成林

化学进展 ›› 2025, Vol. 37 ›› Issue (9) :1361-1372

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化学进展 ›› 2025, Vol. 37 ›› Issue (9) :1361-1372 DOI: 10.7536/PC20250209
综述与评论
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电渗析在卤水资源综合利用中的研究进展

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Progress of Electrodialysis in the Comprehensive Utilization of Brine Resources

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摘要

卤水资源广泛分布于盐湖、地下水和海水中，富含锂、钾、镁、硼等多种高价值的元素，具有重要的经济意义。随着新能源产业的快速发展，尤其是锂资源需求的激增，卤水资源的综合利用成为保障资源可持续供应和推动绿色发展的关键。然而，传统的卤水处理方法（如蒸发结晶、化学沉淀等）存在能耗高、分离精度低、环境污染等问题，亟需更高效、环保的技术手段。电渗析技术作为一种基于离子交换膜和电场作用的分离技术，具有高效、节能、环保等显著优势，逐渐成为卤水资源处理中的重要技术。文章介绍了电渗析技术原理，包括离子交换膜和双极膜工作机制，并结合应用案例，探讨其在卤水资源综合利用的研究进展。在分离提取方面，该技术对锂、硼、钾等元素的分离提取效果显著，尤其在处理高镁锂比卤水提锂时优势突出；在浓缩环节，能在低能耗下实现卤水浓缩；在产品加工中，可提升产品纯度并优化生产工艺。尽管电渗析技术在实验室和中试阶段取得了显著成果，但在大规模工业化应用中仍面临膜材料耐久性、设备成本等挑战。未来，电渗析技术有望与其他技术协同发展，针对不同卤水资源特性开发差异化技术方案，实现卤水资源的全组分利用，推动相关产业的可持续发展。

Abstract

Brine resources are widely present in salt lakes， groundwater， and seawater. They are rich in many valuable elements such as lithium， potassium， magnesium， and boron， and thus possess significant economic value. With the rapid development of the new energy industry， especially the sharp increase in the demand for lithium resources， the comprehensive utilization of brine resources has become crucial for ensuring the sustainable supply of resources and promoting green development. However， traditional brine treatment methods， such as evaporation crystallization and chemical precipitation， have problems like high energy consumption， low separation precision， and environmental pollution. There is an urgent need for more efficient and environmentally friendly technical means. As a separation technology based on ion exchange membranes and the action of an electric field， electrodialysis technology has remarkable advantages such as high efficiency， energy conservation， and environmental friendliness， and has gradually become an important technology in brine resource treatment. This article introduces the principles of electrodialysis technology， including the working mechanisms of anion and cation membranes and bipolar membranes. By combining application cases， it explores the research progress of electrodialysis technology in the comprehensive utilization of brine resources. In terms of separation and extraction， this technology has a remarkable effect on the separation and extraction of elements such as lithium， boron， and potassium. It has outstanding advantages， especially in the extraction of lithium from brine with a high magnesium - to - lithium ratio. In the concentration process， it can achieve brine concentration with low energy consumption. In product processing， it can improve product purity and optimize the production process. Although electrodialysis technology has achieved remarkable results in the laboratory and pilot - scale stages， it still faces challenges such as the durability of membrane materials and equipment costs in large - scale industrial applications. In the future， electrodialysis technology is expected to develop synergistically with other technologies. Differentiated technical solutions will be developed according to the characteristics of different brine resources to achieve the full - component utilization of brine resources and promote the sustainable development of related industries.

Contents

1 Introduction

1.1 Brine resources

1.2 Comprehensive utilization of brine

2 Principles and application of electrodialysis

2.1 Principle of anion and cation membranes

2.2 Principle of bipolar membranes

2.3 Application case

3 Advances in the research and application of electrodialysis technology

3.1 Separation and extraction

3.2 Concentration

3.3 Product processing

4 Summary and outlook

Graphical abstract

关键词

卤水 / 电渗析 / 综合利用 / 离子交换膜

Key words

brine / electrodialysis / comprehensive utilization / ion exchange membrane

引用本文

引用格式 ▾
刘乾鑫, 夏开胜, 杨振, 孟伊, 田云峰, 池波, 吴益尔, 刘成林. 电渗析在卤水资源综合利用中的研究进展[J]. 化学进展, 2025, 37(9): 1361-1372 DOI:10.7536/PC20250209
Liu Qianxin, Xia Kaisheng, Yang Zhen, Meng Yi, Tian Yunfeng, Chi Bo, Wu Yier, Liu Chenglin. Progress of Electrodialysis in the Comprehensive Utilization of Brine Resources[J]. Progress in Chemistry, 2025, 37(9): 1361-1372 DOI:10.7536/PC20250209

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1 引言

1.1 卤水资源

卤水资源指含有高浓度溶解盐类和矿物质的水体，广泛存在于盐湖、盐沼、地下水和海水中[1]。受特殊地质与气候条件影响，这些水体经长期蒸发浓缩，积累了丰富盐类成分，成为重要的液态矿产资源[2-3]。

盐湖是富含锂、钾、镁、硼等有价值元素的卤水资源库[4]。例如：中国的青海盐湖锂钾储量丰富，是我国重要开发基地[5-6]；美国大盐湖的镁、硼独具特色[7-8]；南美的阿塔卡马盐湖锂含量极高[9]。地下卤水广泛分布于含盐沉积层区域，常伴随石油、天然气开采，包括深层卤水和地下咸水[10]。像中国新疆地区，以及沙特阿拉伯、阿联酋等中东国家，地下卤水资源与石油开采区紧密相连[11-12]。海水是卤水资源最主要来源，资源量巨大，但因成分复杂、浓度低，提取锂、镁、钾等特定矿物成分成本较高[13-14]。

卤水资源不仅蕴含钾、钠、钙、镁、硫、氯等常见元素，还包含锂、铷、铯、溴、碘、硼、锶、钡等微量元素，经济价值颇高[15-18]。钠盐中氯化钠最为常见，是食盐和化工原料。钾盐主要用于生产钾肥。锂作为现代电池工业核心元素，在电动汽车和储能领域需求大，而盐湖卤水是锂盐主要提取源。镁因其优异的物理化学性质，在冶金、化工、建材等领域应用广泛。硼资源在玻璃制造、农业、化学工业中也发挥着重要作用。

随着新能源产业发展，锂资源开发带动了卤水资源利用[19]。但卤水中除锂之外的众多元素，同样潜力巨大[20]。因此，实现卤水资源的综合高效利用，充分挖掘其价值，对保障资源可持续供应、推动产业绿色发展意义重大[21]。

1.2 卤水综合利用

卤水资源的综合利用高度契合中国开发矿产资源的重要基本方针之一[22]。卤水综合利用具体是指借助多样化的技术手段，对卤水中蕴含的多种具有重要价值的成分，实施高效的分离、精准的提取以及充分的利用过程。在表1中，系统地列举并总结了若干具有代表性的综合利用方法，同时对其各自的优缺点进行了简单阐述，呈现不同卤水处理方法的优势与局限之处。例如：蒸发结晶技术虽具有设备投资和运维成本较低的优势，但在能耗效率方面表现较差，且分离精度有限，因此更适用于对纯度要求不高、能源价格较低的场景；化学沉淀法具备反应速度较快、所需设备相对简单的特点，但其容易引发化学污染问题，对环境造成一定负面影响；溶剂萃取与离子交换技术尽管在选择性方面表现出色，能够较为精准地提取目标元素，但同时面临着成本较高且工艺过程较为复杂的挑战；电渗析技术以其高效且环保的显著特点备受关注，不过，膜污染问题以及较高的维护成本也成为了制约其广泛应用的关键因素。在实际应用中，选择合适的卤水处理方法时，需要全面、综合地考虑处理规模、目标提取离子的特性以及所处的环境因素等多方面的因素。

卤水资源中富含钾、钠、镁、锂、溴等多种珍贵元素，对其进行综合利用的核心目标在于，在实现对这些资源的最大化开发的同时，最大程度地减少废弃物的产生与排放，有效降低对环境的污染程度，从而切实达成资源的高效利用以及可持续发展的长远目标。由于卤水的成分构成极为复杂，并且在不同的地质、气候等环境条件下所形成的卤水，其化学成分存在显著差异，各类元素的含量和性质也表现出较大的变化范围，因此，为了实现对卤水中不同元素的有效提取，必须采用多种不同的提取技术。这一综合利用过程通常需要将蒸发结晶、化学沉淀、溶剂萃取、离子交换、膜分离、电解等多种技术进行有机组合与协同应用，从而能够充分满足不同元素的特定提取需求，并且有力地推动盐化工、新能源等相关产业的蓬勃发展，为经济社会的可持续发展提供坚实的资源保障与技术支撑。

青海盐湖工业股份有限公司通过建立综合加工基地，采用蒸发结晶、萃取分离等技术，实现氯化钾、碳酸锂、氢氧化镁等多种产品的联产，但锂镁比高时，传统分离方法效率低，同时高含盐废水回收和环保处理成本较高，面临资源损失和环境风险[37-39]。SQM（智利化工矿业公司）利用太阳能蒸发池对卤水进行浓缩后，提取碳酸锂和硼酸，同时联产钾盐，但蒸发浓缩时间长，受气候条件影响大[40-41]。

尽管卤水综合利用已取得一定成果，但现有方法均存在各自的局限性，这表明探索更高效、环保且经济的卤水利用技术迫在眉睫。在此背景下，电渗析技术凭借其独特优势脱颖而出。它不仅高效节能、环境友好，还能在高 Mg/Li 比卤水的处理中发挥重要作用。

2 电渗析原理与应用

电渗析是一种通过离子交换膜实现物质分离和提纯的技术[35]。其基本原理是利用电场驱动溶液中的带电粒子（离子）通过离子交换膜，从而实现溶液中离子的选择性迁移和分离[42]。电渗析装置主要由离子交换膜、电源及辅助材料（如隔板、电极和密封垫片）组成。其中，离子交换膜是核心部件，具有选择性透过性，能够仅允许特定类型的离子通过。

2.1 离子交换膜工作原理

离子交换膜分为阳离子交换膜（CEM）和阴离子交换膜（AEM），前者允许阳离子通过并阻止阴离子，后者则允许阴离子通过并阻止阳离子，其原理主要基于其材料的离子交换特性和电荷排斥作用[43-44]。阳离子交换膜含有固定负电荷的官能团（如磺酸基—SO₃⁻），这些负电荷固定在膜基体上，允许阳离子（如Na⁺、K⁺）通过，而阻止阴离子（如Cl⁻、SO₄²⁻）透过；阴离子交换膜则含有固定正电荷的官能团（如季铵基—NR₄⁺），这些正电荷固定在膜基体上，允许阴离子（如Cl⁻、NO₃⁻）通过，而阻止阳离子透过[45]，原理如图1所示。

运用在电渗析中时，溶液被离子膜分隔为多个隔室，外加电场作用下，溶液中的阳离子和阴离子分别向阴极和阳极迁移。由于膜的选择性透过性，阳离子只能通过阳离子交换膜，阴离子只能通过阴离子交换膜。这使得在膜的隔室内交替形成浓水室和淡水室，从而实现溶液的淡化、浓缩、纯化等操作[46]。

电渗析技术早期主要服务于海水淡化与污水处理领域。在海水淡化中，通过电场作用分离盐分以获得淡水；在污水处理中，针对性去除各类污染物[47-48]。随着技术发展，其应用拓展至卤水资源领域[49-52]。利用该技术，能依据离子特性，将卤水中不同离子分离至特定区域，为后续浓缩、提纯奠定基础，不仅提升了卤水资源利用效率，还减少资源浪费，助力环境保护与资源可持续利用。

2.2 双极膜原理

双极膜（bipolar membrane，BPM）是一种由阳离子交换膜和阴离子交换膜复合而成的特殊电驱动膜[53]。含有双极膜的双极膜电渗析（BMED）在直流电场作用下，双极膜界面层（IEL）区域内水分子（H₂O）会解离生成氢离子（H⁺）和氢氧根离子（OH⁻），分别通过阳离子交换层和阴离子交换层迁移[54]，原理如图2所示。这一特性使双极膜不仅能够单独用作酸碱生产装置，还能与阴阳离子交换膜结合，用于溶液的离子分离与调节pH[55]。

在卤水资源的综合利用进程中，双极膜技术彰显出卓越的多功能特性。借助电场的驱动作用，含有双极膜的电渗析不仅能够对卤水中的阳离子与阴离子进行高效分离，还可将分离出的离子进一步转化为具有高附加值的酸（如 HCl）和碱（如 NaOH），实现了卤水资源的高值化利用，极大地提升了资源的利用价值[56]。值得一提的是，双极膜电渗析技术在酸碱制备和离子分离过程中无需依赖化学试剂的添加，这与传统化学方法形成了鲜明对比，从源头上减少了化学污染，更为契合绿色环保的理念。此外，该技术能耗较低，能够有效避免大量废弃物的产生与排放，在降低环境负担的同时，显著提升了整体经济效益。正是基于上述诸多显著优势，双极膜电渗析技术在卤水提钾、提镁以及提锂等关键领域获得了广泛的应用与推广，为卤水资源的高效开发利用筑牢了坚实的技术支撑，有力地推动了卤水资源的可持续发展进程。

2.3 应用案例

在卤水资源综合利用的关键领域中，电渗析技术凭借自身独特的优势，能够对卤水中的有用成分进行高效的分离与浓缩，进而实现资源的高值化利用，充分挖掘卤水资源的潜在价值。电渗析技术具备低能耗的突出特性，同时对环境十分友好，这使其在卤水处理技术中脱颖而出，成为备受关注的重要技术之一[35]。通过与其他技术的有机结合，电渗析技术的应用效果和经济性得以进一步提升[57]。表2详细列举了几种常见盐类利用电渗析提取的方法，充分彰显了该技术高选择性分离、绿色环保以及灵活性强的显著优势。

3 电渗析技术的应用研究进展

卤水资源的综合利用途径丰富多样，尽管具体方法有所差异，但其流程基本均可划分为预处理、分离纯化和产品加工这3个关键环节。在这一系列步骤中，分离纯化无疑是核心所在，它直接关乎卤水资源中各类有用成分能否被有效提取和利用。然而，天然卤水成分复杂（如高Mg²⁺/Li⁺比、多离子共存），且总溶解固体（TDS）含量通常极高，这对电渗析技术的离子选择性和浓缩效率提出了严峻挑战。电渗析技术在卤水资源综合利用中发挥着重要作用，其功能主要体现在2个维度。一方面，电渗析可凭借自身的分离特性，对卤水中的多种元素进行精准分离与深度纯化，以获取高纯度的目标元素。另一方面，电渗析还能作为一种辅助手段，利用其浓缩以及产酸碱的独特优势，与其他技术手段联合，应用于预处理阶段和生产加工过程，提升整体工艺的效率与效益。

3.1 分离提取

电渗析技术作为一种基于离子交换膜和电场作用的高效分离方法，在卤水资源处理领域展现出卓越的性能。该技术体系主要包括常规电渗析（ED）、选择性电渗析（SED）和双极膜电渗析（BMED）三种技术路径，能够针对不同特性的卤水资源实现高效分离。特别是在成分复杂、含有多种离子的卤水资源中，电渗析技术可以高效地将锂、硼、钾等目标成分从卤水中分离出来，为后续的资源提取和利用提供了极大的便利[45,50,60,68]。在卤水资源综合利用的分离纯化环节中，电渗析技术凭借其高度的选择性和分离效率，成为关键的技术手段，并且能够适应不同元素的提取需求，展现出了广泛的适用性。电渗析技术的分离能力，很大程度上取决于所使用的离子交换膜类型以及膜的组合方式。基于不同类型的离子交换膜及其独特的组合方式，电渗析技术既可以实现对单一离子的精准分离，也能够针对多种离子进行同步分离操作。在传统电渗析（ED）中，通过阴阳离子交换膜的协同作用实现离子定向迁移，适用于高浓度离子的分离与浓缩。选择性电渗析（SED）则采用具有分子筛效应的单价选择性膜，可优先透过Li⁺、K⁺等单价离子，在处理高Mg²⁺/Li⁺比卤水时表现出显著优势。而双极膜电渗析（BMED）通过双极膜界面处的水解离反应原位生成H⁺和OH⁻，不仅能够将电中性物质（如B（OH）3）转化为可迁移离子（B（OH）4⁻），还可直接制备高附加值产品（如LiOH），同时避免了化学试剂的添加。在实际应用中，这三种技术往往协同配合。例如在处理高镁锂比卤水时，可先采用SED进行初步分离，再通过BMED制备高纯锂产品；对于含硼卤水，则可以利用BMED的pH调控功能实现硼的高效回收。这种灵活多样的技术组合方式，使电渗析技术能够适应不同卤水特性的分离需求，展现出广泛的适用性。

3.1.1 电渗析提锂

锂作为一种至关重要的战略储备金属，在当今科技飞速发展的时代，尤其是在电池和储能领域，其需求量正呈现出日益攀升的态势[69]。在我国，卤水资源中的锂储量占据了总锂资源的71.9%[70]，因此，从卤水中提取锂不仅具有重要的资源战略意义，更蕴含着巨大的经济价值。然而，卤水提锂的过程并非一帆风顺。我国许多盐湖卤水中的镁锂比值较高，这给传统的提锂方法带来了严峻的挑战[71]。由于镁和锂的物理化学性质极为相似，使得在分离过程中难以将二者有效区分，极大地增加了分离的难度和复杂性[72]。电渗析技术运用选择性透过膜，在电场的作用下，能够促使锂离子优先发生迁移，而镁离子则被阻挡在膜的另一侧，从而显著提高了锂的回收率和纯度，有效地克服了传统方法的弊端。

电渗析技术在卤水提锂方面的优势是多方面的。除了能够大幅提升锂的回收率和纯度外，还能显著降低能耗[73]。相较于传统的蒸发浓缩法，电渗析无需依赖大量的化学药剂，也无需高温操作，仅在较低的能耗水平下，就能高效地完成锂的提取和浓缩。此外，电渗析操作简便，且自动化程度高，非常适合大规模的工业化生产，为卤水提锂的产业化发展提供了有力的技术支撑。

电渗析在卤水提锂方面的主要方法为卤水的浓缩与锂元素的选择性分离。其中电渗析既可以作为提锂过程的核心（锂元素的分离）也可作为前端或后端（浓缩含锂溶液）。Zhou等[74]聚焦从初级资源中浓缩锂盐的难题，引入电渗析（ED）技术浓缩硫酸锂溶液，图3为电渗析浓缩示意图。研究考察了离子交换膜类型、施加电压和操作模式等因素的影响，在操作模式方面，“高体积比浓缩” 在能耗上更具优势，“多级浓缩” 能达到更高浓度，如两级电渗析体积比为1∶3时，将初始质量分数为6%的Li2SO4溶液浓缩至17.43%。能耗与成本上，最低能耗可达30.9 kW·h/m³，对比传统的蒸发浓缩能源成本为16 ＄/t，而电渗析为3.1 ＄/t，与传统的蒸发方法相比，ED在能耗和单位体积运行时间方面都是一种具有竞争力的方法。

Jiang等[61]最早将双极膜电渗析（BMED）工艺运用到卤水锂资源的开发利用中，首先使用普通电渗析（ED）将卤水富集，之后使用Na2CO3沉淀Li2CO3，再将低浓度的Li2CO3使用BMED制备LiOH。该过程见图4，可得到95%的Li2CO3与LiOH产品，同时生产成本与当时对比降低了82.5%。Zhao等[62]将BMED与NF、RO与ED结合，从Mg2+/Li+>30的盐湖中卤水中制备LiOH，双阶段的NF工艺有效地将Mg2+ /Li+质量比降低至<0.5，可同时回收>92%的锂。通过RO-ED工艺，纳滤（NF）渗透液的锂浓度超过14 g/L，富锂溶液随后进入双极膜电渗析（BMED）工艺，制得LiOH溶液。最后，蒸发结晶过程生成LiOH·H2O，纯度为99.6%。因此，集成膜工艺表现出镁和锂的有效分离，以及从具有高Mg2+/Li+的盐湖卤水中连续制备具有所需纯度的氢氧化锂。

Zhang等[75]对Mg2+/Li+为60的青海东台吉乃尔盐湖卤水使用连续式选择性电渗析对卤水进行浓缩，Li+的浓度由0.26 g/L富集到0.55 g/L，Mg2+/Li+降低至5.2，锂回收率为68.6%，随后对浓缩后的卤水进行沉锂，得到了纯度超99.6%的碳酸锂。Nie等[76]使用选择性电渗析对Mg2+/Li+为20.7的东台吉纳老卤进行镁锂分离，Mg2+/Li+降低至2.07，同时Li+ 的回收率可达90.5%，能耗为4.5 kW·h/kg Li+。

在盐湖卤水提锂关键领域中，电渗析技术扮演着不可替代的角色。特别是当面对盐湖卤水中普遍存在的高镁锂比这一挑战性的难题时，该技术凭借其独特的分离原理与优势，正从研究探索阶段迈向工业化生产的实际应用进程之中。从研发进展来看，电渗析技术已在实验室和中试阶段取得了令人瞩目的显著成果。在中国、南美等盐湖资源极为丰富的地区，众多企业与专业研究机构纷纷积极投身其中，逐步开展电渗析技术应用于锂工业化提取的试验与推广工作[77]。当前，电渗析技术多被应用于与传统提锂方法相结合的联合工艺体系中。借助其对镁锂卓越的分离效能，为后续的提锂工艺流程大幅提升了处理效率，有力地优化了整个提锂生产链。尽管电渗析技术在实验室和中试阶段展现出了卓越的性能表现，然而，在大规模工业化生产的实践场景中，它依然面临着一系列亟待攻克的问题。比如，设备的初始购置成本相对较高，这无疑增加了企业大规模应用的资金门槛；膜材料的耐久性尚显不足[78]，影响设备的长期稳定运行，且其选择性也有待进一步优化提升，以实现更为精准、高效的离子分离效果。

总体而言，电渗析作为一项高效的分离技术，在处理高镁锂比的盐湖卤水方面优势显著。随着技术的持续创新改进以及成本的逐步降低，在未来几年内，电渗析技术有望获得更为广泛的应用，极有可能发展成为盐湖卤水提锂领域的主流技术之一。

3.1.2 电渗析提硼

硼，作为一种重要的非金属矿物，是不可或缺的化工原料，其应用范围广泛，涵盖玻璃制造、农业、化学工业等多个领域，并且在未来工业发展中也扮演着“营养剂”的关键角色[79]。值得关注的是，卤水资源中的硼储量颇为可观，占据了国内总储量的33%[80]，从盐湖盐水中提取硼已经成为重要的生产手段。由于硼酸的电离常数较低，且大多数卤水的pH值呈现弱酸性、中性或弱碱性环境[81-82]。在此条件下，硼多以硼酸分子形态存在于卤水中，而呈电中性的硼酸分子无法在电场作用下发生迁移，且因其分子尺寸较大，也难以通过扩散作用实现迁移。因此，通常需要营造碱性环境，促使硼转变为硼酸根离子的存在形式，以便进一步提取。电渗析技术则为提硼提供了新的有效途径，该技术借助选择性透过膜，在电场驱动下，能够实现对硼酸根离子的高效分离。尤其是在成分复杂的盐类混合体系中，电渗析技术可精准地分离出卤水中的硼酸根离子与其他离子，显著提高了硼的回收率和纯度，展现出了相较于传统方法的独特优势。

近年来，已经有许多使用BMED从水溶液中回收硼的研究。Bunani等[83]研究了双极膜电渗析（BMED）法从水溶液中分离回收锂和硼的效果。研究了施加电位、初始样品体积和 pH 等工艺条件对 BMED 性能的影响，发现锂和硼的回收率随施加电压升高而提升，但随初始样品体积增加而下降，在 15 V、0.5 L 初始样品体积的最佳条件下，锂的分离和回收率分别为99.6%和88.3%，硼分别为72.3%和70.8%，且pH升高对硼的分离和回收促进作用更明显。该研究为从水溶液中同时分离回收锂和硼提供了有效方法，对资源回收利用有一定的参考价值，但未涉及实际复杂水样的处理情况。Noguchi等[84]提出多步双极膜电渗析（BPED）对卤水中硼的浓缩效果。研究使用由双极膜和阴离子交换膜构成的装置，以半间歇式操作开展实验，当浓缩液与稀释液体积比为4∶1，初始硼浓度为100 mg/L时，第1步BPED操作60 min后，浓缩液中硼浓度从100 mg/L提升至373 mg/L，稀释液中硼浓度降至9.8 mg/L。经4步操作后，浓缩液硼浓度接近硼酸溶解度（约10 g/L），实现了硼的高效浓缩与回收。İpekçi等[68]研究了双极膜电渗析（BMED）从水溶液中同时分离和回收锂和硼的应用。在实验室规模的实验中，研究了酸室和碱室中酸液与碱液的种类、浓度以及施加电压对过程效率的影响。结果表明，当酸室和碱室分别使用0.05 mol/L HCl和0.05 mol/L NaOH溶液时，可以同时达到硼和锂的分离和回收。在30 V电压下，硼和锂的分离率分别为86.9%和94.7%，回收率分别为50%和62%，此时的功耗0.79 kW·h/kg。Hung等[65]通过间歇和连续的 BMED 模式，研究多种工艺参数对含硼废水处理中硼去除和回收效率的影响。研究表明，较高初始硼浓度会降低硼处理速率，高初始pH值会减缓硼去除速率，而提高电流密度可改善这些情况。在溶液pH值控制在9.5~10.5、电流密度为6.36 A/m2、最大电压12 V时，硼去除和回收效率分别达98.6%和86.5%。该研究为含硼废水处理提供了数据支持与理论依据，但在大规模应用前仍需开展更多可行性研究，例如大规模或现场处理的可行性研究。

电渗析技术在盐湖卤水提取硼领域有独特应用。其优势显著，分离效率高，能精准实现硼与卤水中钠、钾、镁等其他离子的分离，极大提升硼的提取纯度，相较于传统方法，可减少化学试剂使用，降低杂质引入风险。同时，该技术在常温下运行，能耗低，设备腐蚀小，安全性与稳定性高，还便于自动化连续生产，契合大规模工业生产需求。然而，电渗析技术也存在局限。首先就是电渗析普遍的成本问题。此外，盐湖卤水成分复杂，离子竞争迁移干扰硼的分离，且对卤水预处理要求严格，需精细除杂、调节 pH 值，否则易损坏离子交换膜，导致工艺复杂[85]。总体来说，电渗析技术优点突出，但挑战也不容忽视。

3.1.3 电渗析提钾

钾元素在农业生产中具有举足轻重的地位，素有“粮食的粮食”之美誉[86]。我国作为农业大国，农作物种植面积广阔，对钾肥的需求极为旺盛。从资源分布来看，我国的钾资源主要蕴藏于盐湖卤水之中，以液体钾矿的形式存在[87]。在当前卤水提钾的技术研究与实践中，实现Mg和K的高效分离与提纯，是获取高品质钾肥、提升卤水钾资源利用率的关键环节，对保障我国农业可持续发展意义重大[88]。

Zhang等[64]研究了不同Mg2+/K+下电渗析分离镁钾的效果，结果表明，Mg2+浓度是影响离子交换膜选择性的关键因素，Mg2+浓度增加会降低选择性系数，2.5 h的电渗析使Mg2+ /K+ 比由10.31降至1.15，钾回收率为89.06%，能耗为0.089 kW·h/mol K，同时溶液中几乎剔除了所有硫酸盐，有助于提高KCl产物的纯度。Guo等[89]聚焦从复杂共存离子体系中回收钾离子，采用选择性电渗析技术，研究电流密度、K+/Mg2+浓度及温度对K+/Mg2+分离过程的影响，以探究单价和多价离子的竞争迁移机制。研究发现离子浓度对钾镁离子分离选择性起关键作用，高浓度会降低选择性，且钾离子浓度影响更显著；较高电流密度能增加离子通量，但对分离选择性影响小；温度升高虽增加离子通量，但会降低溶液中钾离子比例。该研究为钾资源的高值化回收及离子竞争迁移研究提供了重要参考。Zhang等[63]使用单价选择性电渗析（MSED）研究从复杂共存离子体系中回收钾离子，结果表明MSED能够有效的分离Mg2+与K+，Na+浓度的增加将增加Na+对K+的迁移竞争，并显著降低K+的回收效率。随着引入的Mg2+浓度的增加，对K+回收率的阻碍作用逐渐增大，并且通过逐渐降低电压的MSED。同时对实际卤水进行了初步应用，K+的回收率可达74.83%，Mg2+ /K+从7.72降低至0.92，能耗为 0.116 kW·h/mol K+。

从优势来看，其分离效率较高，能快速将钾离子与卤水中的钠、镁等其他离子分开，加快钾的提取速度，且能耗也较低。此外，考虑到不同盐湖卤水成分的显著差异，研究者已在定制化电渗析工艺的开发上取得了一定进展。然而，要实现该技术的大规模工业化应用，仍需在多个关键环节上取得实质性突破。

3.1.4 电渗析提镁、钙

卤水中的Mg2+、Ca2+等其他离子使用电渗析提取相关研究较少，主要问题为Mg2+、Ca2+产生的沉淀堵塞膜孔，导致膜通量、选择性的下降。Chen等[66]提出采用双极膜电渗析结合结晶室技术，从海水中捕获CO2并提取镁资源以制备MgCO3·3H2O。通过测定亚稳区并探讨多种影响因素，研究表明，提升电流密度和温度有利于镁的提取，而提高流速可促进其吸收。在最佳条件下，镁提取率达 56.71%，能耗为1.67 kW·h/kg MgCO3·3H2O，为相关工业应用提供理论支撑。Trihasti Kartika等[67]研究采用圆柱形膜电渗析技术对卤水进行矿物回收，其脱盐速率高，结果表明在30 L/h 的流速再循环、10 A和 40 ℃ 下，Ca2+和SO42-的离子产物回收率分别为30.17%和27.62%。

电渗析在盐湖卤水提取钙和镁的研究中，主要面临的挑战是钙、镁离子的高浓度和与其他离子的分离难度[90]。研究主要集中于开发高选择性和高耐久性的膜材料，以提高钙、镁离子的分离效率[91]。此外，工艺流程的优化、能耗的降低以及与其他分离技术的结合，如沉淀法和反渗透等，也成为研究的重点。尽管实验室研究取得了一定进展，但在工业规模上的应用仍需进一步完善和提升。

3.2 浓缩

在天然卤水的综合利用领域，常常面临着有效元素浓度偏低的挑战，这一问题导致有效元素难以实现高效提取[3]。因此，在对天然卤水进行综合利用的前处理环节中，卤水浓缩成为至关重要的步骤。目前，传统的蒸发技术以及压力驱动的膜过程在卤水浓缩处理中存在着一系列显著的弊端。其中，传统蒸发技术不仅成本高昂，而且能耗巨大，同时在锂元素的提取方面，其产量与纯度也受到明显限制[92]。而反渗透这一压力驱动膜过程，则由于浓差极化现象的影响，难以将锂盐浓度大幅度提升[93]。为了有效攻克上述难题，电渗析技术逐渐成为一种具有潜力的解决方案。电渗析技术无需在高温条件下进行操作，不依赖于气候条件，尤其对于低浓度的卤水，该技术展现出了良好的能效比优势，能够在相对较低的能耗下实现卤水的有效浓缩与处理。

Rögener等[94]使用普通的ED对含有0.496 g/L Li+的模拟卤水进行浓缩实验，最终浓缩浓度为8.58 g/L Li+，浓缩倍率高达1746%，与传统的浓缩倍率相当，总耗时17.5 h，能耗为0.06 kW·h/mol，在耗时方面则远优于传统的蒸发方法。Liu等[95]提出了阶梯式电渗析（LED），实验研究了阶梯隔室溶液浓度、隔室数量和阳离子交换膜类型对锂盐浓缩效率的影响。结果表明，LED技术可有效克服浓差极化，将LiCl质量浓度提升至196 g/L，且能耗低至0.42 kW·h/kg。该技术的优势在于阶梯隔室能减少浓缩离子的反向扩散，高浓度阶梯隔室溶液可破坏离子水化层，降低水向浓缩室的迁移。LED技术为盐湖卤水提锂提供了一种高效且节能的新途径，但该研究未涉及其他离子对LED过程的影响。Cho等[96]研究含锂高钠的模拟卤水，运用ED及多级浓缩（MSC）电渗析技术，研究表明，由于高钠的原因，浓缩过程会产生硫酸钠晶体，同时离子浓度过高导致渗水现象，淡化室向浓缩室迁移了大量水分，使得锂浓缩比低；通过添加甲醇进行前处理可使硫酸钠析出，同时保持0.4%的锂损失率，经过四级浓缩后，浓缩比例由除钠前的211%提升至378%，锂回收率由83.2%提升至90.5%。

电渗析浓缩盐湖卤水技术研究意义重大。其优势明显，通过电场驱动离子迁移，浓缩效率高，能快速实现卤水初步浓缩。而且无需高温加热，能耗低，设备腐蚀小，能降低成本。不过，目前该技术也有局限。离子交换膜性能待提升，存在选择性不足、易污染问题，导致运行成本增加。不同盐湖卤水成分差异大，电渗析工艺通用性差，需针对性调整参数。尽管面临挑战，但随着技术进步，电渗析有望在盐湖卤水利用中发挥更大价值。

3.3 产品加工

经分离纯化后的元素，通常仍需进行深加工处理，以进一步提升纯度，并加工成便于运输和存储的形态。电渗析技术依托其特有的浓缩功能以及产酸产碱特性，一方面能够通过有效富集目标物质并去除杂质，显著提升产品纯度[53]；另一方面，在氢氧化物类产品的生产过程中，可利用其所产生的碱性环境促进相关化学反应的进行，精准调控反应条件，从而在优化生产工艺的同时，切实保障并提升产品品质[56]。

吸附法中解吸过程获得的酸性锂离子洗脱液需要进一步纯化和浓缩才能生产出高纯度的锂盐。传统方法（如蒸发与化学沉淀相结合的方法）面临着包括环境污染、高能耗和成本上升等重大挑战。He等[97]开发隔离室双极膜电渗析 （ICBMED） 来抑制离子迁移，从而提高再生酸和碱的纯度，制得纯度 99.3% 的电池级LiOH，成本为1.65 ＄/kg LiOH。

KNO3是2种营养物质的可溶性来源，通常用作受益于硝酸盐营养和不含氯化物的钾的作物的肥料[98]。硝酸钾肥料通常是通过将氯化钾与硝酸盐源反应制成的，成本较高[99]。Sharma等[100]研究了用电渗析（ED）从氯化钾中转化制备硝酸钾的方法。实验在10个单元格对的中试电渗析池中进行，在不同电位下反应，当2 V/单元格对时效率最高，能耗为 0.82 kW·h/kg，电流效率达 83%，实现了97%硝酸钾转化率和99%的产品纯度，为工业规模生产高质量硝酸钾提供了新途径。此方法具有成本低、效率高的优点，但在膜的稳定性和寿命等方面仍需进一步研究。

4 结论与展望

电渗析技术在卤水资源开发领域展现出独特的技术优势和应用前景。作为一种基于离子交换膜的分离技术，电渗析具有能耗低（较传统蒸发结晶工艺降低30%~50%）、选择性好（可处理Mg²⁺/Li⁺>30的复杂卤水）和环境友好等显著特点。其核心技术在于通过电场驱动下的离子选择性迁移机制：常规电渗析（ED）利用阴阳离子交换膜实现离子定向分离；选择性电渗析（SED）通过单价选择性膜优先提取Li⁺等单价离子；双极膜电渗析（BMED）则通过界面水解离同步完成离子分离与酸碱联产。特别值得关注的是，BMED技术可直接将卤水中NaCl转化为高纯度（>99%）的HCl和NaOH，大幅减少了化学试剂的使用。模块化设计使该技术能够灵活地与纳滤、反渗透等其他膜技术集成，形成针对不同卤水特性的定制化工艺方案。目前，电渗析技术已在青海盐湖等高镁锂比卤水的锂提取中实现工业化试点应用，采用隔离室BMED（ICBMED）制备电池级LiOH的纯度可达99.3%，生产成本降至1.65 $/kg，展现出良好的经济性。

尽管取得显著进展，电渗析技术在实际应用中仍面临若干技术瓶颈。膜材料的抗污染性能不足是主要制约因素，特别是在Ca²⁺、SO₄²⁻共存的卤水体系中，膜通量衰减率可达15%/100 h以上。在硼提取过程中，需要精确控制pH>9.5以实现B（OH）₃向B（OH）₄⁻的转化，这对预处理工艺提出了严格要求。此外，浓差极化现象导致浓缩过程的能耗随浓度提升而显著增加，如将LiCl从0.5 g/L浓缩至196 g/L时，单位能耗上升2.3倍。这些技术挑战需要通过材料创新和工艺优化来突破。在膜材料方面，开发耐氯腐蚀（Cl⁻>150 g/L）的磺化聚芳醚酮膜、提升多价离子选择性（Na⁺/Mg²⁺>15）是重点方向；在工艺控制方面，引入机器学习算法实现电流密度和流速的智能调控，有望显著提升系统运行稳定性。

电渗析技术的发展将呈现3个主要趋势：一是工艺耦合创新，通过构建"电渗析预浓缩-吸附提纯-溶剂萃取"协同体系，实现Li、Rb、Cs等多元素的同步提取；二是差异化技术方案开发，针对盐湖型（Li⁺<0.5 g/L）、油田伴生型（TDS>200 g/L）等不同特性的卤水资源，设计专用工艺路线；三是智能化水平提升，结合物联网和数字孪生技术实现工艺参数的实时优化。要实现这些突破，需要产学研深度协同，重点攻克膜材料寿命和模块化成本等工业化瓶颈。随着技术进步和应用经验积累，电渗析技术有望推动卤水资源开发从单一元素提取向全组分高效利用的模式转变，为新能源产业的可持续发展提供重要支撑。在这一过程中，政策引导和市场驱动的有机结合将发挥关键作用，促进技术创新与产业需求的精准对接。

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