柴达木盆地是我国最大的钾肥生产基地,氯化钾的产量占全国总产量的90%以上。然而,随着盐湖钾资源的规模化开发,传统的生产工艺也面临诸多挑战,主要表现在：盐田自然蒸发速度慢,成矿周期长；自然蒸发过程中,卤水中的水通过太阳直晒蒸发散失到大气中,造成水资源的损失,使晶间卤水的水位呈现下降趋势,并出现了生产用水的短缺问题。本研究利用直接接触膜蒸馏对高浓度盐水进行浓缩,探讨膜蒸馏取代传统盐田蒸发池的可行性；同时,膜蒸馏与结晶技术耦合,研究从卤水中同步回收水资源和无机盐矿物,大幅度提高钾肥的生产效率。基于以上目标,本文从疏水膜的识别和筛选、高盐体系对膜蒸馏性能的影响、多元卤水相平衡热力学、膜蒸馏和结晶耦合技术等四个方面开展研究,主要内容如下：(1)膜的结构特性的影响：以2.0 mol/L氯化钠溶液为原料,采用自制的平板膜组件,比较了四种PTFE平板疏水膜的膜蒸馏性能,初步考察了盐浓度、盐类型对膜蒸馏性的影响。重点研究了膜结构特性,如膜孔隙率、膜的厚度、支撑层等对膜通量、总传质系数和能量效率的影响。结果表明,孔隙率和活性层厚度等膜参数是影响膜蒸馏性能的关键因素：宁波昌琪膜具有最高的膜通量(总传质系数)和能量效率；当原料进口温度为70℃时,其值分别达到66.76kg/m2.h和46.5%；这主要归结于昌琪膜的独特的结构特性,即无支撑层、孔隙率高(90.8%)和活性层厚度薄(391μm)；同时,原料温度对总传质系数的影响与膜的厚度有关,尤其对无支撑层的昌琪膜,当原料进口温度升高时,其总传质系数呈现下降趋势,这可能是由于膜厚度小而导致高温下膜的热传导损失增大的缘故；与纯水相比,2.0 mol/L氯化钠溶液的膜通量低31.1%,这是由于盐水溶液中水的活度下降的缘故；随着盐浓度的升高,膜通量逐渐降低,而且下降的幅度与盐的类型有关,这可能是由于不同盐水溶液的热力学性质的差异引起的。(2)盐水溶液热力学和物理性质的影响：以盐湖卤水的主要组分,即NaCl, KCl, MgCl2和MgSO4四种单盐为对象,用直接接触膜蒸馏处理其高浓度的盐水,考察了盐浓度(1.0-4.0 mol/L)、循环流速(O.1-0.5 m/s)和盐水溶液的热力学和物理性质对膜蒸馏性能的影响。结果显示：随着盐浓度的增加,膜通量下降,四种盐溶液的通量从大到小的顺序为：KCl> NaCl> MgSO4> MgCl2(盐水浓度大于1.0 mol/L);引起这种差异的主要原因与盐水溶液的热力学性质—水的活度有关,其大小取决于离子与离子、离子和溶剂(水)之间的相互作用力；利用镶嵌在○LI软件的MSE模型,成功地预测了NaCl, KCl, MgCl2和MgSO4溶液的水的活度,模拟计算值与文献中的实验值一致；当盐浓度大于2.5 mol/L时,MgCl2溶液的膜通量出现负值,这是由于其溶液低的活度和高的粘度共同影响的结果；而且,对高浓度的MgSO4和MgCl2溶液,其粘度的大幅度上升对膜蒸馏性能产生显著的负面影响；在这种情况下,增加溶液的循环流速有利于提高边界层的传热系数和膜通量。实验表明,膜蒸馏能有效地浓缩高浓度的盐水溶液,甚至是常温下的饱和溶液；然而,为了防止低温下可能出现的水蒸气传递方向的反转,或高温下出现膜表面盐的沉积和结晶现象,膜两侧的温差必须控制在一定的温度范围内：在本实验条件下,对NaCl, KCl,和MgSO4溶液而言,适宜的原料进口温度应控制在40～50℃、40～45℃和25～35℃。(3)多元卤水相平衡热力学：以马海盐湖低品位钾矿溶采卤水为对象,在15℃、35℃和50℃的温度下,研究了K+, Na+, Mg2+//Cl SO42--H2O五元体系的相平衡热力学；利用介稳相图,分析了等温蒸发过程的成矿和析盐规律,详细计算了不同蒸发阶段的析盐量、蒸发水量和母液组成。结果显示,不同温度下的析盐规律和结晶相区存在差异：随蒸发温度的升高,钾钠芒硝结晶相区依次向氯化钾相区平行移动,导致氯化钾相区缩小,硫酸钠相区扩大,随蒸发温度升高,相应点的钠含量和水含量依次减小。为了得到需要的钾矿,在实际应用中,三种温度下溶采卤水的蒸发基本上都可在三个结晶池中依次完成：NaCl结晶池、钾混盐结晶池和光卤石结晶池；在不同的温度下,氯化钠结晶池中,NaCl的析出率都大于93%；随着温度的升高,钾混盐结晶池中析出了钾盐镁矾(Kai) (KCl·MgSO4·3H2O),50℃时其含量增大到73.9%；同时,光卤石(Car)结晶池中,随着温度的升高,Car含量逐渐增大至86.7%；这为溶采卤水的综合利用提供了理论依据。(4)膜蒸馏结晶耦合技术：以高浓度的KC1溶液、MgSO4溶液和KCl-MgCl2-H2O溶液为原料,利用膜蒸馏-结晶耦合技术和间歇式操作,研究了几种溶液的膜蒸馏浓缩性能,考察了不同冷却方式对KC1和MgSO4·7H2O结晶行为的影响。结果表明：利用膜蒸馏-结晶耦合技术,可实现从高浓度溶液中同步回收纯水和有价值的盐和矿物；膜蒸馏能有效浓缩高浓度的KCl-MgCl2-H2O溶液,但必须严格控制膜两侧的温差,否则出现负通量而稀释原料溶液,或盐浓度在膜表面达到过饱和而结晶,从而破坏膜蒸馏过程的正常进行。自然冷却有利于形成形貌规整、粒度分布相对集中结晶产品：在KC1降温结晶过程中,自然冷却的最大过冷度为3.6℃,远远小于快速降温过程的7.0℃,从而有效地控制成核和晶体的生长。相比较而言,KCl-MgCl2-H2O溶液自然降温过程中,KCl结晶的最大过冷度只有1.0℃,也小于快速冷却的2.2℃,因此更有利于晶体的成核和生长。通过以上研究,筛选出了适用于盐湖高盐体系、高离子强度卤水的膜蒸馏用膜；利用膜蒸馏-结晶耦合技术,实现了从高浓度盐水中同步回收有价值的无机盐和水资源；揭示了疏水膜结构特性和溶液的热力学性质是影响膜蒸馏性能的核心要素。本研究为开发环境友好、低能耗、零排放的绿色化工新技术奠定了基础,也为生产企业的新技术开发提供理论支持。