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新型气凝胶膜蒸馏复合膜：制备工艺、性能优化与高盐废水处理应用

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球工业化进程的加速和人口的增长，水资源短缺已成为一个全球性的严峻问题。据统计，全球约有超过100个国家面临缺水问题，其中20多个国家严重缺水，预计到2050年，全世界将有超过20亿的人口缺水。我国也是水资源短缺的国家之一，全国600多个城市中大约一半的城市缺水。与此同时，大量的高盐废水不断产生，其排放给环境带来了巨大的压力。高盐废水通常是指总含盐质量分数至少1%的废水，主要来源于化工厂、石油和天然气的采集加工、印染、炼化、采油、制药和制盐等企业生产过程，以及海水利用、含盐量高的地下水等。这些废水不仅含有Cl-、SO42-、Na+、Ca2+等大量可溶性无机盐离子，还可能含有有机污染物、重金属、氰化物、芳香族及杂环化合物等有害物质，甚至放射性物质。

高盐废水的直接排放会对土壤、水体等生态环境造成严重污染，导致土壤盐碱化、水体富营养化等问题，破坏生态平衡，影响动植物的生存和繁衍，进而危害人类健康。例如，高盐废水排放到农田，会使土壤盐分过高，影响农作物的生长和发育，导致农作物减产甚至绝收；排放到河流、湖泊等水体中，会改变水体的化学性质，使水生生物无法适应，导致水生生物死亡，破坏水生态系统。此外，高盐废水的排放还会浪费大量的水资源和潜在资源，在水资源日益匮乏的今天，这无疑是雪上加霜。

传统的废水处理方法如生化法、物化法等对高盐废水的处理效果往往不佳，因为高盐度会对微生物的生长和代谢产生抑制和毒害作用，使得生化处理难以正常进行；而物化法处理成本高、能耗大，且容易产生二次污染。因此，开发高效、经济、环保的高盐废水处理技术迫在眉睫。

膜蒸馏技术作为一种新型的膜分离过程，以其独特的优势在高盐废水处理领域展现出了广阔的应用前景。膜蒸馏是采用微孔疏水膜，以膜两侧蒸汽压差为驱动力，使水蒸气透过膜孔，从而实现水与非挥发性溶质的分离。该技术具有比表面积大、设备简单、占地少、操作方便、适用范围广、能处理高浓度废水、可回收盐类和有机物等副产品、出水水质好、产水率高、接近“零排放”、能够利用太阳能、工业废热等廉价能源等优点。然而，传统的膜蒸馏膜在通量、选择性、稳定性和抗污染性能等方面仍存在一定的局限性，限制了其大规模的工业化应用。

气凝胶作为一种新型的纳米多孔材料，具有超高比表面积、高孔隙率、低导热率、低介电常数等优异特性。将气凝胶引入膜蒸馏复合膜的制备中，有望改善复合膜的性能，提高膜蒸馏过程的效率和稳定性。气凝胶的高孔隙率和大比表面积可以提供更多的传质通道，增加膜的通量；其特殊的结构和表面性质可能有助于提高膜的选择性和抗污染性能，从而为高盐废水的高效处理提供新的解决方案。

本研究旨在制备新型气凝胶膜蒸馏复合膜，并深入研究其处理高盐废水的性能和效果。通过本研究，一方面可以丰富和完善膜蒸馏技术在高盐废水处理领域的理论和实践，为该技术的进一步发展提供科学依据和技术支持；另一方面，有望开发出一种高效、经济、环保的高盐废水处理方法，实现高盐废水的达标排放和水资源的回收利用，对于缓解水资源短缺和环境污染问题具有重要的现实意义，同时也能为相关企业降低生产成本，提高经济效益，促进工业的可持续发展。

1.2国内外研究现状

在高盐废水处理技术方面，国内外众多学者进行了大量的研究与实践。目前，主要的处理技术包括蒸发法、电解法、膜分离法、焚烧法和生物法等。

蒸发法中多效蒸发技术是将多个蒸发器串联，热蒸汽依次通过各蒸发器，逐级蒸发以有效利用热源实现高盐废水除盐，机械式蒸汽再压缩技术（MVR）则借助蒸汽压缩机对蒸汽再次压缩，提高蒸汽热利用效率。这两种技术在煤化工和医药、农药等行业应用广泛，但对于有机污染物含量过高的盐水，蒸发时易产生泡沫冲料，影响盐品质，还需后续处理。

生物法脱盐利用微生物氧化分解有机物，微生物能处理吸附有害有机污染物，将高盐废水中的有机物转化为无机物。例如生物接触氧化工艺具有抗毒、耐冲击、微生物稳定、容积负荷性强、能保持污泥龄等优势，厌氧技术及其改良工艺利用厌氧菌、硝化细菌、嗜盐菌等对高盐废水特殊的环境适应性来降低盐分。然而，目前我国生物法脱盐工艺技术尚不完善，技术熟练度有待提高。

膜分离法中，微滤（MF）可截留0.1-1μm的悬浮物、细菌等物质，超滤（UF）能截留大于0.01μm的微生物、蛋白质等物质，二者一般用于反渗透膜或其它膜浓缩技术的前处理，去除来水中的SS及胶体等。纳滤（NF）对一价盐的去除率为20%-50%，对CODcr及二价盐的去除率高达90%以上，在高盐废水零排放处理工艺中，可用于去除易结垢离子、分离硫酸根及氯离子，实现氯化钠的回收。反渗透（RO）