水力压裂产生的高盐盐水让我们陷入困境，但新工艺可以帮助它干燥

Josiah02

看似神奇的创新让我们能够满足工业社会日益增长的需求。需要更多能源？从深层岩石中压裂获取能源。淡水？淡化海洋水流。贵金属？从以前无法开采的低品位矿石中提炼。
但这些和其他奇迹却让我们陷入困境——被高盐度盐水淹没。这种“盐水”——含盐量比海水高出许多倍且经常受到污染物污染的废水——是这些和其他工业过程的副产品，这是一个问题。
利哈伊大学土木与环境工程系 PC Rossin 教授 Arup SenGupta 表示：“处理总溶解固体含量超过 60,000 mg l−1 的盐水溶液存在技术、环境和经济障碍，而且这些障碍大多尚未解决。”
然而，SenGupta 和客座研究员 Hao Chen（当时是博士生）开发的新方法代表着在清理甚至可能释放隐藏在超咸水中的宝贵资源方面迈出了一大步。这项研究发表在《自然水》杂志上。
当前方法
当前处理这种副产品的方法往往会加剧工业过程固有的环境损害。
将高盐盐水泵回海洋是沿海海水淡化厂的常见做法，但这样做可能会破坏深海生态系统。
内陆工业设施产生的废水通常被放在巨大的露天水池里，在阳光下蒸发，但这一过程效率低下，依赖天气，并且容易产生威胁地下水和周围环境的污染物浓缩。
将盐水泵入地下深井是一种常见的做法，但由于其造成的生态和地质破坏，许多地区已禁止这种做法。
其他方法如多级热蒸馏和膜蒸馏具有一些优点，但也需要大量的能量输入来产生热量，并且容易产生水垢和不可逆的污垢或设备污染。
开发将盐水浓缩到有利于收集结晶固体的水平的方法已成为美国内政部和其他全球水务机构的首要任务。
结晶固体可以更容易地被处理，重新用于工业过程，甚至可以“开采”包括锂在内的贵金属。
新的解决方案
SenGupta 和 Chen 开发了一种新工艺，即蒸发离子交换 (EIX)，利用空气湿度和离子交换在室温下浓缩盐水。与现有方法不同，EIX 可避免结垢和结垢，而且由于其高效的设计，它比自然蒸发快得多。
它使用聚合物离子交换树脂珠，这是一种具有高浓度带电功能团（或电荷与带相反电荷的离子结合的原子）的凝胶。当珠子与水接触时，树脂的内部压力使其快速吸收水分，同时排斥盐和其他化合物。
“这种现象类似于正向渗透，但实际上不存在半透膜。相反，离子交换器-水界面充当半透膜，吸水速度非常快，”SenGupta 说。
当暴露在干燥的空气中时，树脂会在室温下通过蒸发将水分释放到空气中，而无需外部热量输入。
SenGupta 表示：“这个循环可以重复进行，使树脂能够在室温下持续浓缩溶液。这个过程非常快速，所有能量需求都由周围空气提供。”
研究中使用的基础树脂是 Purolite A502P，这是一种市售的饮用水系统离子交换树脂。研究人员在材料中掺杂了二氧化锆 (ZrO 2 ) 纳米颗粒，以确保其比重并防止树脂漂浮。
实验
为了测试这一过程，研究人员使用实验室合成的高盐盐水和从宾夕法尼亚州和新泽西州马塞勒斯页岩地区的气井现场收集的高盐水进行了实验。除了盐之外，马塞勒斯样品还含有高浓度的钡离子、锶离子和钙离子。
将 EIX 珠子放入床中，然后向床中注入盐水，直至树脂达到饱和状态。将床中的盐水排空，然后将树脂暴露在吹出的未加热空气中进行蒸发，并测量剩余盐水的总体积和总溶解固体 (TDS)。然后使用剩余盐水重复此循环。
完成三个循环后，剩余合成盐水的体积减少了近三倍，剩余合成盐水的TDS增加了近三倍。
采用相同的聚合物珠但没有离子交换功能团进行的循环，使合成盐水的 TDS 增幅小于 20%。
对马塞勒斯样品进行四次循环后，钡、钠和氯的浓度超出了溶解度极限，导致氯化钡和氯化钠盐直接结晶。
该过程不会导致树脂结垢或污染，并且实验表明能够从天然存在的金合欢碱中浓缩和回收锂。
SenGupta 表示：“这项研究最引人注目的发现是，在环境温度下经过四次 EIX 循环后，Marcellus 气井的超盐水中出现了盐的沉淀/结晶。”“根据文献，没有其他盐水浓缩工艺能够在室温下实现初期结晶。”
SenGupta 表示，该工艺的优势让他对该工艺的推广应用潜力充满信心。下一步将是运行一个试点系统，并记录其工艺参数和与其他高温工艺相比的能源优势。
SenGupta 表示：“EIX 工艺不需要制造任何特殊材料来扩大规模。它不需要任何热量或主要能源。它可以快速扩大规模。”