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针对高盐溶液中石膏（CaSO??2H?O）沉淀预测难题，研究人员结合 PHREEQC 和 OLI Studio 模拟，利用电化学阻抗谱（EIS）等技术，探究不同盐度下石膏沉淀行为。发现 EIS 可灵敏检测纳米级晶体，模型预测与实验结果吻合，为高水回收率脱盐工艺提供关键参考。
在工业生产与水处理领域，高盐溶液中的矿物沉淀问题一直是影响系统效率的关键挑战。以石膏（CaSO??2H?O）为例，其在膜法脱盐、换热器等系统中极易形成结垢，不仅降低设备性能，还可能引发运行故障。传统的 Debye-Hückel 极限定律仅适用于稀溶液，而高盐环境下离子间复杂的相互作用使得沉淀预测变得极为困难。尽管 Pitzer 模型等扩展模型被广泛应用，但它们在动力学受限条件下的有效性仍存疑。此外，传统光学检测方法如浊度测量、动态光散射（DLS）等，难以捕捉纳米级初始晶核，导致无法及时监测沉淀过程。因此，开发一种高灵敏度的实时监测技术，并验证热力学模型在高盐条件下的适用性，成为解决高盐溶液沉淀问题的关键。
为攻克上述难题，研究人员开展了高盐溶液中石膏沉淀的热力学模型与结晶动力学研究。该研究通过 PHREEQC 和 OLI Studio 软件，运用 Pitzer、MSE-SRK、MSE 和 AQ 等热力学模型，模拟了不同 CaSO?浓度（3000、6000、9000 mg/L）和盐度（0.5-5.3 M NaCl）下的饱和指数（SI），并结合电化学阻抗谱（EIS）、浊度测量、动态光散射（DLS）及扫描电子显微镜 / 能量色散 X 射线光谱（SEM/EDX）等技术，系统分析了石膏沉淀的起始与动力学过程。研究成果发表在《Desalination》，为高盐废水处理及脱盐工艺优化提供了重要理论与技术支持。
研究采用的关键技术方法包括：1. 热力学模型模拟：利用 PHREEQC（含 Pitzer 和 SIT 模型）和 OLI Studio（含 AQ、MSE、MSE-SRK 模型）计算不同条件下的饱和指数（SI），评估石膏的溶解 - 沉淀平衡状态；2. 电化学阻抗谱（EIS）：通过三电极系统（316 不锈钢工作电极、银 / 氯化银参比电极、石墨对电极）实时监测溶液阻抗变化，利用 Constant Phase Element（CPE）模型分析电容（Cm）和电阻（Rs、Rm）参数，检测纳米级晶体形成；3. 对比检测技术：采用浊度测量、动态光散射（DLS）评估颗粒浓度与尺寸分布，结合扫描电子显微镜（SEM）和能量色散 X 射线光谱（EDX）验证沉淀产物的形貌与化学组成。
3.1 热力学预测
研究发现，所有模型均预测石膏 SI 随盐度升高呈凸形曲线，在 2.3-2.6 M 盐度处达到最小值。3000 mg/L CaSO?溶液在全盐度范围内均未饱和，6000 mg/L 溶液仅在低盐（<0.9 M）和高盐（>4.9 M）条件下呈过饱和，而 9000 mg/L 溶液始终过饱和。尽管不同模型预测值略有差异，但单因素方差分析显示无统计学显著差异，表明各模型在高盐条件下具有相似的适用性。
3.2 EIS 结果
EIS 检测显示，9000 mg/L CaSO?溶液在 2.5 M、4 M、5 M 盐度下均出现电容显著增加，表明石膏沉淀发生，其中 4 M 盐度下 12 小时达到平衡，而 2.5 M 和 5 M 盐度下反应持续进行。对比传统光学方法，浊度和 DLS 仅在高盐（4 M、5 M）高浓度（9000 mg/L）条件下检测到颗粒，而 EIS 能灵敏捕捉 2.5 M 盐度下纳米级晶核的形成，与 SEM/EDX 观察到的亚微米级未完全生长颗粒一致。此外，EIS 数据与二级反应动力学模型吻合良好，进一步验证了其对沉淀动力学跟踪的准确性。
3.3 沉淀表征
浊度测量显示，仅 9000 mg/L CaSO?在 4 M、5 M 盐度下出现显著浊度，与 EIS 结果部分一致。DLS 因受颗粒浓度和尺寸限制，无法可靠检测低浓度或纳米级颗粒。SEM/EDX 则明确证实，9000 mg/L CaSO?溶液中存在典型针状石膏晶体，且盐度升高促进颗粒生长与聚集，但不改变晶体形貌。这些结果凸显了 EIS 在检测早期沉淀和低浓度颗粒方面的独特优势。
3.4 总结与结论
本研究通过多模型模拟与实验验证，系统揭示了高盐溶液中石膏沉淀的热力学规律与动力学特征。结果表明，EIS 作为一种高灵敏度的原位监测技术，可实时追踪纳米级石膏晶体的形成与生长，显著优于传统光学方法。热力学模型在预测高盐条件下的饱和状态时表现一致，但需注意动力学限制对实际沉淀过程的影响。该研究为高水回收率脱盐工艺中的结垢控制、工业废水处理及矿物沉淀调控提供了新的技术手段与理论依据，特别是 EIS 技术的应用为复杂溶液体系的实时监测开辟了新方向。
