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净水技术 | 如何把海水里的硼“拦”下来? 四类除硼技术大比拼

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导 语

把海水变成淡水,如今只差最后一道关:硼。海水平均含硼约4.5毫克/升,而占全球海水淡化装机七成的主力的反渗透膜,偏偏对这种“个头小、不带电”的中性分子网开一面——单级处理后出水硼浓度仍有0.9~1.8毫克/升,不得不再加一级处理、白白多耗能。这篇综述先用文献大数据摸清研究热点,再把反渗透、离子交换树脂、电渗析、吸附四类技术从作用机理、技术特点、研究进展三个维度摆上擂台,最后指向同一个答案:以活性炭等为基体的有机-无机杂化吸附材料,最有可能成为未来海水除硼的主力。

01

先认识三个关键词

  • 硼:生命离不开它,多了又是毒:硼参与植物的生殖生长和碳水化合物的合成、代谢、运输;对人和动物则关乎胚胎发育、骨骼形成、免疫调节和能量代谢。但它的安全窗口极窄——土壤水溶性硼低于0.5毫克/升算缺硼,只需几毫克每升就会引发硼毒害。我国2022年版《生活饮用水卫生标准》把硼限值从0.5毫克/升调整为1.0毫克/升,正是健康风险与技术可行性之间的平衡。

  • 硼酸的“变身开关”——pH:海水中硼的质量浓度为0.5~9.6毫克/升、平均约4.5毫克/升。硼酸是弱酸(pKa=9.2):pH较低时它以中性分子“隐身”,个头小、不带电,膜很难拦;pH升高后它“变身”为带负电、个头更大的硼酸根离子,才容易被截留。这个开关几乎主导了所有除硼技术的成败。

  • 反渗透(RO):海水淡化的绝对主力——全球约70%的海水淡化装机容量由它提供,脱盐率高达99%,几乎可去除所有污染离子。但它唯独对硼“手下留情”:单级海水反渗透(SWRO)出水硼浓度通常还有0.9~1.8毫克/升,往往需要二级处理才满足饮用水要求,十分耗能。


02

研究者是怎么做的

研究者先做了一轮“文献大数据”画像:用CiteSpace对中国知网(CNKI)数据库1995—2024年的153篇、Web of Science数据库2010—2025年的171篇“海水淡化脱硼”文献做关键词共现分析,看清这一领域的研究热点与脉络。


图1 数据库关键词共现图谱(左:CNKI;右:WOS):“脱硼”“海水淡化”“反渗透”“吸附”“离子交换”关联紧密

结果表明:剔除“脱硼”“海水淡化”两个主题词后,RO、吸附、离子交换基本都代表着一类除硼方法。随后,研究者把四类主流技术逐一请上擂台,从作用机理、技术特点、研究进展三个维度比较分析,并算了一笔技术和经济账。

03

反渗透:主力选手的“软肋”

早在1969年,最早的RO膜材料对硼的去除率仅约50%。原因正是上面的“变身开关”:海水pH(7~8)下硼以中性小分子硼酸存在,恰好是膜“看不清”的盲区。


图2 硼酸在水溶液中不同pH值下的电离状态:pH升高,硼酸变硼酸根,才容易被膜截留

把pH调高固然有效,却会让钙、镁离子沉淀结垢,堵膜、耗能,还可能反过来影响除硼效果;输运模型研究还发现,高pH、大进料压力下硼通过膜的对流传输非常显著,可占总硼通量的20%以上。另一条路是给膜“动手术”:Li等在聚酰胺网络中嵌入磺酰分子,把改性膜的硼截留率从82.12%提高到93.10%,脱盐率达99.57%。但总体看,单级RO脱硼效率不高,仍需多级系统才能达标,成本随之水涨船高。

04

离子交换树脂:精准但“娇贵”

这项技术诞生于20世纪70年代,最初是为去除陶瓷工业镁卤水中的硼酸盐。其原理是让树脂上的多羟基结构与硼“手拉手”形成硼酸酯,实现对硼的快速高效去除。

图3 树脂吸附硼过程:多羟基结构与硼酸酯化,释放水分子

已商业化的硼选择性树脂都挂着NMDG官能团——1个仲胺基加5个相邻羟基,像一只专门“抓硼”的手。实际效果如何?D201树脂在pH=10、接触150分钟时对硼的最大去除量达59.6毫克/克;用硼选择性树脂填充电去离子(EDI)可把溶液硼浓度从5毫克/升降到0.3毫克/升,脱硼率高达94%。短板同样明显:再生流程复杂、化学药剂消耗大,树脂用久了活性还会下降。


图4 商业脱硼树脂的NMDG官能团结构:1个仲胺基+5个相邻羟基

05

电渗析:稳定但“吃电”

电渗析(ED)靠电场驱动离子穿过离子交换膜,不需化学药品,出水水质稳定、组件设计简单、从组装到运行周期极短。它的两个升级版很有意思:一是首个商业化的EDI——在稀释液室里加入树脂床,主要用于超纯水生产;二是双极膜ED,更高效且水分解时不产生氧气和氢气。实例很亮眼:当pH控制在9.5~10.5、电流密度6.36安/平方米时,硼的去除率和回收率分别达98.6%和86.5%;另一套双极膜ED系统回收硼,电流效率94.9%、分离效率76.6%。但能耗较高、膜性能不稳、海水腐蚀设备,仍是它大规模推广的拦路虎。

06

吸附法:最接地气,就看材料

吸附分物理吸附和化学吸附两种,实际除硼中化学吸附占主导。传统吸附剂——活性炭、粉煤灰、天然矿物——便宜易得,但对硼的“亲和力”差:棕榈树皮制备的颗粒活性炭最大吸附容量仅2.377毫克/克,天然材料还普遍面临回收难的问题,经济效益和实用性较差。

新型无机材料开始“翻身”:以碳量子点为结构导向剂合成的3D多孔CQDs/LDHs,在竞争吸附体系中对硼的去除率达89.7%、是原LDHs的3倍;氧化石墨烯/金属有机框架材料(GO/ZIF-67)吸附容量高达66.65毫克/克;NMDG接枝壳聚糖吸附容量20.36毫克/克,循环5次吸附量仍无明显下降。

最有前景的路线是“强强联合”:以活性炭、水滑石等廉价材料为基体,把硼选择性有机官能团接枝上去,做成有机-无机杂化吸附剂——基体负责便宜、比表面积大,官能团负责选择性。NMDG改性活性炭(NMDG-C)已验证了这条路线的可行性;当前的难点在于寻找合适的基体材料和杂化方法,把吸附官能团的负载量提上去。

07

算一笔技术和经济账

  • RO:大中型装置比能耗已降到2.5~7.0千瓦时/立方米,操作简便、去除率高,但膜易结垢污染、运维成本高,还会产生浓缩水。

  • 离子交换树脂:对低浓度硼有效、选择性高、污染少,但化学药剂消耗占总成本的40%~60%(树脂Lewatit M600市场价约340美元/吨),长期运行经济性受树脂寿命和再生成本制约。

  • 电渗析:装置运行稳定、出水波动小,但硼浓度或浓淡室浓度差越大耗电越多,主要适合含硼量较低的溶液。

  • 吸附法:效率高、易操作、维护成本低,对小规模操作友好,但需要定期再生,且污染物只是“换了个地方”。此外,电絮凝(EC)在最佳条件下(16.67安/平方米、90分钟、pH=8)对5毫克/升硼的去除率超60%,每产1立方米水耗电2.85~3.6千瓦时;新兴的正渗透(FO)方面,锆基金属有机框架(Zr-fum-MOF)膜在中性条件下实现对硼近乎完全的截留,优于大多数传统FO膜和RO膜。

08

结论

这篇综述梳理出除硼技术的四条总体趋势:RO技术应用最广但单级脱硼效率不高,建议与其他工艺结合,并继续研发低成本、高硼排斥能力的RO膜;离子交换树脂几乎能去除水中所有的硼,但再生复杂,适用于水量不大、脱硼要求高的超纯水制备;电渗析除硼效果可观,关键在于优化工艺参数、降低能耗、提升选择性离子交换膜性能;传统吸附剂虽然对硼容量低、选择性差,但作为基体优势显著——通过有机-无机杂化改性,有望开发出高选择性和高吸附容量的新型硼吸附材料。

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引用信息

汪剑, 王晨, 王彦智, 等. 海水淡化系统除硼技术的研究现状与展望[J]. 净水技术, 2026, 45(2): 12-21.

DOI: 10.15890/j.cnki.jsjs.2026.02.002

来源:本文内容为AI改编,原文出自《净水技术》论文《海水淡化系统除硼技术的研究现状与展望》,作者汪剑、王晨、王彦智等(青岛市排水运营服务中心、烟台大学土木工程学院、青岛百发海水淡化有限公司等)

编辑:黄智恒

排版:李滨妤

审核:孙丽华

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