看似神奇的創新使我們能夠滿足工業社會日益增長的需求。需要更多能量嗎？從深層岩石中壓裂它。淡水？海水淡化。貴金屬？從以前無法開採的低品位礦石中浸出它們。

但這些和其他奇蹟讓我們陷入了困境——淹沒在超鹹鹽水的海洋中。這種「鹽水」——廢水中的鹽分含量比海水高出許多倍，並且經常被污染物污染——是這些工業製程和其他工業製程的副產品，這是一個問題。

「溶解固體總量超過 60,000mg-l-1 的鹽水溶液的處理會帶來技術、環境和經濟障礙，但這些障礙大多尚未解決，」Arup SenGupta，P.C. 說。理海大學土木與環境工程羅辛教授。

然而，森古普塔和客座研究員陳浩（當時是博士生）開發的一種新方法代表了清理甚至可能釋放潛伏在超鹹水中的寶貴資源的飛躍。工作是發表在日記中天然水。

目前的方法

目前處理這種副產物的方法通常是複合的環境破壞工業製程中固有的。

• 將高鹽度鹽水泵回海洋是沿海海水淡化廠的常見做法，但這樣做會破壞深海生態系統。
• 來自內陸工業設施的廢水通常在大型露天水池中在陽光下蒸發，但這個過程效率低下，依賴天氣，並且容易產生污染物濃度，威脅地下水和周圍環境。
• 將鹽水泵入地球深井是一種常見的做法，但由於其造成的生態和地質破壞，在許多地區已被禁止。
• 其他方法，如多級熱蒸餾和膜蒸餾，具有一些優點，但也需要大量能量輸入來產生熱量，並且容易形成水垢和不可逆的結垢或設備污染。

開發將鹽水濃縮至有利於收集結晶固體的水平的方法已成為美國內政部和其他全球水務機構的優先事項。

結晶固體可以更容易處理，重新用於工業製程甚至「開採」包括鋰在內的貴金屬。

新的解決方案

SenGupta 和 Chen 開發了一種新製程——蒸發離子交換 (EIX)，利用空氣濕度和離子交換在室溫下濃縮鹽水。與現有方法不同，EIX 避免了結垢和結垢，並且由於其高效的設計，它比自然蒸發快得多。

它使用聚合物離子交換樹脂珠，這是一種具有高濃度帶電的凝膠。功能組，或電荷與相反電荷的離子結合的原子。當珠子與水接觸時，樹脂的內部壓力使其快速吸收水分，同時排斥鹽和其他化合物。

SenGupta 說：“這種現象與正向滲透類似，但物理上不存在半透膜。相反，離子交換器與水的界面充當半透膜，吸水速度非常快。”

當暴露在乾燥空氣中時，樹脂在室溫下透過蒸發將水釋放到空氣中，而不需要外部熱量輸入。

「這個循環可以重複，使樹脂能夠在環境溫度下連續濃縮溶液，」森古普塔說。“這個過程很快，總的能量需求是由環境空氣提供的。”

研究中使用的基礎樹脂是 Purolite A502P，這是一種用於飲用水系統的市售離子交換樹脂。研究人員在該材料中摻雜了二氧化鋯（ZrO2_{）奈米粒子，以確保其比重並防止樹脂漂浮。}實驗

為了測試這個過程，研究人員使用實驗室製造的合成超鹹鹽水和從賓夕法尼亞州和新澤西州馬塞勒斯頁岩地區的氣井收集的超鹹水進行了實驗。

除鹽外，馬塞勒斯樣本還含有高濃度的鋇陽離子、鍶陽離子和鈣離子。

將 EIX 珠放置在床上，然後填充鹽水直到樹脂達到飽和。將床中的鹽水排幹，然後將樹脂暴露於吹入的未加熱空氣中進行蒸發，並測量剩餘鹽水的總體積和總溶解固體(TDS)。然後使用剩餘的鹽水重複該循環。

• 三個循環完成後，剩餘合成鹽水的體積減少了近三倍，而剩餘合成鹽水的TDS增加了近三倍。
• 使用相同的聚合物珠但沒有離子交換官能基進行循環，合成鹽水的 TDS 增加了不到 20%。
• 在馬塞勒斯樣本進行四個循環後，鋇、鈉和氯的濃度濃縮到超出溶解度極限，導致氯化鋇和氯化鈉鹽直接結晶。
• 該過程不會導致樹脂結垢或結垢，並且實驗表明能夠從天然存在的超鹽水中濃縮和回收鋰。

SenGupta 說：“這項研究最引人注目的發現是，在環境溫度下經過四次 EIX 循環後，馬塞勒斯氣井的超鹹水中的鹽發生了沉澱/結晶。”「根據文獻記載，沒有其他鹽水濃縮過程在環境溫度下達到初始結晶。

SenGupta 表示，該製程的優勢使他對該製程擴大規模並廣泛使用的潛力感到樂觀。下一步將是運行試點系統並記錄其製程參數以及與其他高溫製程相比的能源優勢。

SenGupta 表示：“EIX 製程不需要製造任何特殊材料來擴大製程規模。”“它不需要任何熱量或主要能源。它可以迅速擴大規模。”