近日，广东工业大学杨志峰院士团队王樟新课题组和莱斯大学
Menachem Elimelech
院士团队在
Nature
子刊
Nature Water
上发表了题为
“Dialysis opens a new
pathway for high-salinity organic wastewater treatment”
的论文。论文提出了一种基于透析（
dialysis
）的水处理方法，为高盐有机废水处理提供了新的思路。透析使用商品化的超滤膜，允许盐类通过，同时排除有机物。与以双边逆流模式运行，无需施加操作压力。与超滤不同，透析无需对废水施加操作压力。研究结果表明，相较于超滤，透析可以对高盐有机废水进行高效脱盐，同时，其对盐和有机物的分离效率更高。此外，由于不需要施加操作压力，透析几乎不受膜污染的影响。最终，论文提出了基于透析的潜在高盐有机废水处理方案，为实现更可持续的废水处理铺平了道路
。
高盐有机废水因其盐分和有机物浓度高，一直是环境工程废水处理领域的一大难题。传统废水处理方法，如生物处理和高级氧化工艺，因高盐浓度抑制了效率，常导致系统故障或效能下降，因此，亟需开发新的高效处理方法。近年来，膜分离技术，特别是超滤或松散纳滤，被提出作为处理高盐有机废水的有效手段。虽然超滤能分离水、盐和有机物，但因其本身并非脱盐技术，不能有效降低废水的盐度，甚至可能会导致处理后的废水盐度升高，故还需对处理后的废水进行稀释，以降低其盐度。然而，这样的稀释过程不仅会增加整体工艺的能耗和操作复杂性，还会消耗大量淡水（图
1a
）。本研究提出使用透析（一种常见的医学治疗技术）作为超滤在高盐有机废水处理中的替代方案。具体来说，透析可在无需施加操作压力的情况下，使用商品化的超滤膜，利用双边逆流的操作模式分离盐和有机物（图
1b
）。
在透析过程中，较大的跨膜盐度差异可导致盐的快速透过，而跨膜渗透压差异可能导致水分从透析液流向废水，造成废水稀释和体积增加。因此，理想的透析过程应显著透过盐分，同时避免水分透过，以防废水稀释
。
为了考察高盐有机废水中透析的盐和水透过率，我们进行了透析实验。实验结果表明，商业超滤膜（
MWCO 3000 Da
）在跨膜盐度差异为
5
至
80 g/L
（
NaCl
）范围内，盐通量随盐度差增加而线性增长，水通量始终较低，表明透析能在不稀释废水的情况下对废水进行有效的脱盐（图
2a
）。此外，随着膜孔径从
3000 Da
增至
8000 Da
，跨膜盐通量增加，水通量保持接近零，表明较大孔径膜可提高脱盐效率（图
2b
）。为了深入理解透析脱盐性能，我们使用经典的
Spiegler-Kedem-Katchalsky
（
SKK
）模型分析了透析中的盐和水运输机制（图
2c
）。通过模型计算，我们发现
NaCl
的透过主要受扩散控制（图
2d
），而
Na
2
SO
4
由于较大分子量，会被膜所截留，进而展现出不同的水和盐渗透率（图
2e
）。综上所述，透析可以在不稀释废水的情况下对其进行脱盐，其效果受废水盐分和膜孔径的影响。理想的透析膜需使得盐可以自由透过，不产生水渗透，从而确保其脱盐效果。
图
2
透析对高盐有机废水的脱盐效果
透析通过盐的透过和有机物的排斥来实现盐和有机物的分离，因此盐
/
有机物的选择性对透析过程的有效性至关重要。为评估透析的盐/有机物分离效果，我们在使用一样的超滤膜的情况下对透析和超滤进行了比较
。
结果表明，透析在盐
/
有机物的选择性上优于超滤，尤其在面对不同种类的有机物，如：
Congo red
（
CR
）和
Victoria blue B
（
VBB
）时（图
3a
）。动态光散射（
DLS
）测量发现，
CR
和
VBB
在进料溶液中形成了不同大小的聚集体，而
PEG400
则没有大聚集体（图
3b
）。在超滤过程中，
PEG400
几乎不受阻碍地透过膜，导致
NaCl
与
PEG400
的选择性较低（
1.1
）（图
3c
）。然而，在透析中，由于水通量非常低，
NaCl
与
PEG400
的选择性显著提高（约为
2.3
）。透析较高的盐
/
有机物选择性主要得益于其扩散传质机制（图
3d
）。不同有机物和盐的扩散系数差异使透析能有效分离盐和有机物（图
3e
），而超滤则因水通量较大，导致选择性较低。总体而言，透析相比超滤，在盐
/
有机物分离上具有更好的性能，特别是在处理小分子有机物时，能实现更为高效的盐
/
有机物分离。
图
3
透析对盐和有机物的分离性能
我们进一步考察了透析在高盐有机废水处理中的抗污染性能，并与超滤进行了比较。膜污染是膜法处理中的重大挑战，尤其在高盐有机废水处理中。为评估透析的抗污性能，研究通过长时间实验比较了超滤和透析在相同进料溶液下的表现（图
4a
）
。
结果表明，超滤实验中，随着废水中的盐被脱除，盐通量逐渐下降，膜表面变为深红色，表明有机物（如
CR
）引起严重污染。而透析实验中，盐通量保持稳定，膜表面颜色较浅，显示出较少的污染。
SEM
图像分析显示，超滤实验后，膜表面覆盖了一层厚且粗糙的污染层（约
1.92μm
），而透析实验中，污染层较薄且光滑（图
4b
）。这一差异源于超滤和透析的传质机制不同。在超滤中，水流推动有机物
CR
进入膜表面，导致严重污染（图
4d
），而透析中，由于没有跨膜水通量，
CR
通过扩散缓慢接近膜表面，造成较轻污染（图
4e
）。
BET
分析进一步表明，超滤实验后膜的孔体积和表面积增加，说明污染层较为密实，而透析中污染层较松散，对膜的孔体积和表面积影响较小（图
4c
）。因此，与超滤相比，透析表现出了优越的抗污染性能。
图
4
透析在高盐有机废水中的抗污染性能
虽然透析能够有效实现高盐有机废水的脱盐与盐
/
有机物分离，并具备出色的抗污性能，但它不能单独作为处理这些废水的完整过程。透析后，低盐有机废水和高盐透析液仍需进一步处理才能排放或回用。为此，我们提出了基于透析的高盐有机废水处理方案（图
5
）。具体而言，高盐有机废水通过双向逆流的透析系统处理，废水和透析液的流向相反，流速相同。在盐度差的作用下，盐分从废水扩散到透析液中，逐渐降低废水的盐度，并增加透析液的盐度。透析后，高盐有机废水变为低盐废水，低盐透析液变为高盐流体。通过足够大的膜面积，废水的出口盐浓度可接近透析液入口浓度，而透析液的出口盐浓度可接近废水入口浓度，从而实现显著的盐度降低。低盐有机废水可送至传统处理单元（如活性污泥法）进一步净化或浓缩回收资源。传统处理单元的出水可选择排放或回用。同时，高盐透析液可送至零排放处理过程，包括反渗透、浓盐水浓缩器和热盐水结晶器进行彻底脱盐和淡水回收。回收的淡水可用于透析系统，产生的盐分可处置或回收利用。
图
5
基于透析的高盐有机废水处理工艺
高盐有机废水由于含有大量的盐和有机物，对传统废水处理方法构成了持续的挑战。本研究提出了基于透析的高盐有机废水处理方案。通过精确的实验和建模，我们证明了透析能够有效地实现废水脱盐，从而推动后续的处理过程。透析的成功可以归因于其无需施加操作压力和没有跨膜水渗透的特点，这不仅避免了废水的稀释，还提高了盐
/
有机物的选择性并增强了抗污染能力
。
尽管透析的盐通量相对较低，但在实际应用中，透析所需的膜面积可能与超滤所需的膜面积相当，这得益于透析过程省去了稀释步骤并缓解了膜污染。与传统的膜法水处理技术（如超滤和纳滤）不同，透析通过自然扩散从废水中直接分离污染物，无需施加操作压力，故在能效方面更优。因此，透析在实际废水处理应用中可能成为一种极具成本效益的处理手段。此外，透析可通过合适的膜材料进一步分离不同的有机物，从而实现有价值资源的选择性回收。这使得透析有潜力将废水处理厂转变为资源回收工厂，与循环经济原则相契合。总的来说，透析为可持续处理高盐有机废水提供了一条有前景的路径。
