用于海水淡化的陶瓷膜：基于溶胶-凝胶方法的设计与制备策略

本文综述溶胶-凝胶法制备的陶瓷膜在海水淡化中的应用，强调其可调控孔结构、表面电荷及抗污性优势，同时分析非晶相稳定性、规模化限制及高能耗等挑战，提出需开发低能耗生产技术及整合模拟优化设计，以推动实验室到工业应用转化。

魏达石|景 王|陈 善夫|傅 开云|邱 明辉|范 一群

南京工业大学化学工程学院材料导向化学工程国家重点实验室，南京，211816，中国

摘要

陶瓷膜因其优异的热稳定性和化学稳定性而成为海水淡化领域的有前景的候选材料。在各种制备技术中，溶胶-凝胶方法在调控孔结构、表面电荷和润湿性方面具有独特优势，从而实现了高选择性和强大的抗污染能力。本文综述了溶胶-凝胶法制备的陶瓷膜的最新进展，重点关注微观结构工程、稳定性增强策略和表面性能改性。同时讨论了关键挑战，包括非晶相的水热不稳定性、溶胶-凝胶工艺的可扩展性有限以及烧结过程的高能耗问题。未来发展方向强调亟需解决缺陷控制带来的高成本问题以及溶胶-凝胶法制备陶瓷膜材料时再现性有限的问题。应致力于开发低能耗、高效率的陶瓷膜生产技术，并结合模拟和建模策略来指导多功能膜材料的设计，以实现陶瓷膜性能的预测性优化。这些进展将为将溶胶-凝胶法制备的陶瓷膜从实验室研究转化为海水淡化工业应用提供灵活高效的技术路径，从而在促进可持续水资源处理和资源回收方面发挥关键作用。

引言

工业化的迅速扩张导致了盐碱废水的排放量不断增加，对水资源、生态系统和人类健康构成了严重威胁。这类废水通常来自生物制造、海水淡化和纺织行业，含有高浓度的无机盐、有机污染物和重金属。盐碱废水具有高化学需氧量（COD）、毒性、极端pH值和高温等特点，会加剧水资源短缺、土壤盐碱化和生态退化。砷和镉等重金属离子进一步威胁食品安全和人类健康[1]、[2]、[3]、[4]。解决这些问题需要高效且可持续的盐碱废水处理和淡水生产技术。

膜分离技术因其高效性、环境兼容性和可扩展性而被认为是最有效的解决方案之一。该过程利用尺寸排除和压力驱动条件下的静电相互作用，实现离子和污染物的选择性去除[5]、[6]。与聚合物膜相比，陶瓷膜具有更优异的物理化学稳定性、机械强度和亲水性，使其更适合在恶劣的化学和热环境中进行海水淡化[7]、[8]。其抗污染和自清洁能力进一步扩展了其在复杂废水系统中的应用范围。近期研究表明，关于陶瓷膜（特别是在纳滤、超滤和膜蒸馏领域）的研究正在迅速增加[9]、[10]。然而，精确控制膜结构和表面性能仍是一个主要挑战。

在各种制备方法中，溶胶-凝胶方法因其多功能性和可控性而脱颖而出。通过调节胶体形态、粒径和分布，溶胶-凝胶工艺可以精细调整孔结构。此外，掺杂和功能化可以进一步调节表面电荷和表面能。这些策略产生了“孔径-电荷-表面能”的协同效应，结合外部刺激，使膜能够超越传统过滤方式，实现分子级别的精确分离[11]、[12]。尽管之前的综述已经讨论了溶胶-凝胶技术在涂层、聚合物复合材料或陶瓷加工中的应用[13]、[14]、[15]，但尚未有专门针对用于海水淡化的溶胶-凝胶法制备陶瓷膜的综合性分析。因此，本文旨在系统总结该领域的进展，重点介绍结构设计和性能调制方面的成果，并探讨基础研究和工程应用的前沿方向。

章节摘录

用于海水淡化的陶瓷膜工艺

石化、发电、冶金、食品和制药等行业对现代社会至关重要，但同时也是盐碱废水的主要来源。这些废水通常含有高浓度的无机盐、有机化合物和重金属，并且常常具有极端的pH值和高温。这些特性给水资源和环境带来了巨大负担。由于陶瓷膜具有优异的化学和热稳定性，

用于海水淡化的经典陶瓷膜材料

二氧化硅、氧化铝、二氧化钛和氧化锆是一类广泛应用于膜制备的经典陶瓷材料。它们的晶体相、关键晶粒尺寸、表面能和等电点共同决定了最终膜的孔结构和表面性能，进而对分离效果产生决定性影响。除了这些传统氧化物陶瓷外，新兴的功能性陶瓷材料也展现了巨大的潜力

用于膜制备的溶胶-凝胶方法

溶胶-凝胶方法是一种基于溶液化学的合成技术，广泛用于制备无机和有机-无机杂化材料，特别是在定制陶瓷膜的结构和性能方面。在此过程中，金属醇盐或无机盐常用作前驱体，经过控制水解和缩聚反应生成均匀稳定的溶胶。随后经过凝胶化、干燥和热处理，获得所需的

用于海水淡化的溶胶-凝胶法制备的膜的性能调控

陶瓷膜的核心结构和表面性能对提高分离效果起着决定性作用。在现有的制备和改性策略中，溶胶-凝胶方法作为定向优化这些关键特性的核心技术，对于提高基于膜的淡化效率至关重要。具体而言，精确调控的微孔（通常达到纳米级别）和狭窄的孔径分布是实现这一目标的关键

结论与展望

溶胶-凝胶方法已被证明是一种多功能且有效的制备陶瓷膜的技术，能够实现可调孔结构、稳定框架和功能性表面。通过仔细控制溶胶粒径、水解-缩聚动力学、热处理和掺杂剂掺入，可以开发出具有高选择性、稳定性和抗污染性能的膜，适用于纳滤、超滤和膜蒸馏等应用。这种多维设计

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22378191）、国家重点研发计划（2022YFB3805001）、江苏省重点研发计划（BE2023320）以及材料导向化学工程国家重点实验室（SKL-MCE-23A12）的财政支持。