净水技术 | 如何把海水里的硼“拦”下来? 四类除硼技术大比拼

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。

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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。

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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。

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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。

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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

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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。

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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。

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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。

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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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