發(fā)布時間：2020-10-22 03:49

　　 結(jié)垢是換熱器、油田管道等工業(yè)領(lǐng)域面臨的重大挑戰(zhàn),傳統(tǒng)防垢阻垢技術(shù)普遍存在除垢效率低、能耗高、環(huán)境污染以及中斷生產(chǎn)等技術(shù)難題,表面涂層技術(shù)作為一種新型阻垢技術(shù)得到廣泛關(guān)注。針對目前表面涂層抑制結(jié)垢形核的認識與研究不足,本研究設(shè)計/建立了簡便、合理的靜態(tài)/動態(tài)結(jié)垢試驗系統(tǒng)/方法,深入開展不同基材、不同潤濕性表面涂層靜態(tài)/動態(tài)結(jié)垢試驗,考察材料表面化學(xué)組分、潤濕性、微觀結(jié)構(gòu)、阻垢劑、介質(zhì)流動狀態(tài)以及腐蝕因素等對結(jié)垢結(jié)晶行為的影響,并探索一種新型自修復(fù)阻垢涂層技術(shù)及其作用機理。本文研究結(jié)果期望為進一步提升工業(yè)領(lǐng)域防結(jié)垢水平提供理論基礎(chǔ)及技術(shù)支持。本文的主要研究與創(chuàng)新包括以下幾個方面:1.本研究采用Ca~(2+)-H_2O-HCO_3~-結(jié)垢液介質(zhì),創(chuàng)新性設(shè)計/建立了靜態(tài)/動態(tài)結(jié)垢試驗裝置系統(tǒng)。裝置結(jié)構(gòu)合理、性能可靠、操作簡便,能科學(xué)合理地模擬靜態(tài)及動態(tài)結(jié)垢試驗環(huán)境/介質(zhì)氛圍,為有效開展不同潤濕性材料表面結(jié)垢性能測試試驗提供技術(shù)/平臺支撐。2.不同基材靜/動態(tài)結(jié)垢試驗表明,隨著材料基材表面能降低,疏水性增強,材料表面結(jié)垢量顯著降低,疏水性高分子材料表面結(jié)垢量明顯低于金屬基材,高分子材料表面平均結(jié)垢量約0.17mg/cm~2,僅為金屬基材表面平均結(jié)垢量的41%(0.41mg/cm~2);鋁、銅、尼龍三種基材表面結(jié)垢晶型各不相同,鋁表面主要為方解石,銅表面主要為文石,而尼龍為方解石和文石的混合體;碳酸鈣污垢于材料表面異相成核、結(jié)晶、生長為垢累積增長的主要方式。因此,解決結(jié)垢問題應(yīng)該重點關(guān)注垢表面前期異相成核、結(jié)晶/生長階段。3.本研究發(fā)現(xiàn),在靜態(tài)結(jié)垢環(huán)境下,表面粗糙且疏水性高的涂層具有較好的防垢效果(結(jié)垢量僅約0.10mg/cm~2),而在動態(tài)結(jié)垢環(huán)境中,表面光滑且疏水性較弱的涂層具有較好的防垢功效(結(jié)垢量僅約0.09 mg/cm~2)。于此基礎(chǔ)上,本研究創(chuàng)新性提出多因素結(jié)垢理論模型(微觀結(jié)構(gòu)、潤濕性/表面能、流體介質(zhì)等協(xié)同作用),揭示了特殊潤濕性表面于不同介質(zhì)環(huán)境氛圍/狀態(tài)抑制結(jié)垢/結(jié)晶的作用機理。靜態(tài)結(jié)垢環(huán)境下,垢的生長取決于表面特性狀態(tài),低表面能/非潤濕性表面有利于抑制結(jié)垢;于動態(tài)結(jié)垢環(huán)境,流體擾動導(dǎo)致體系熵△S改變是影響結(jié)垢結(jié)晶的關(guān)鍵因素,粗糙表面因局部渦流導(dǎo)致熵AS增加而促進表面結(jié)垢;光滑表面出現(xiàn)平流/層流,表面附近熵增較小、成核勢壘AG較高,從而降低污垢的形核與結(jié)晶生長。4.本研究發(fā)現(xiàn)有機硅氧烷改性涂層(-C-Si-O)在結(jié)垢過程中具有“自修復(fù)”特性。結(jié)垢試驗過程中有機硅氧烷逐漸遷移并覆蓋于鈣垢表面,進一步降低表面潤濕性/表面能,從而抑制表面污垢的延續(xù)結(jié)晶/生長,發(fā)揮獨特的防垢效果。此外,疏水涂層與阻垢劑乙二胺四甲叉磷酸鈉(EDTMPS)協(xié)同作用,阻垢率達85%以上,可作為進一步提升防垢功效的有效手段之一。5.金屬表面腐蝕對抑制表面污垢結(jié)晶和促進垢脫除均具有積極意義。金屬腐蝕導(dǎo)致基材表面形貌/成分發(fā)生改變、結(jié)構(gòu)粗化,促進已生成的碳酸鈣垢脫落,且表面粗糙結(jié)構(gòu)并未引發(fā)垢顆粒二次附著/沉積;腐蝕產(chǎn)物離子促進碳酸鈣于液相介質(zhì)中進一步異相形核,碳酸鈣過飽和度大幅減小,金屬基材壁面/表面結(jié)垢形核減少,從而大大抑制金屬基材表面污垢的結(jié)晶及生長。6.金屬陽離子Al~(3+)、Fe~(3+)、Cu~(2+)均能影響碳酸鈣的結(jié)垢結(jié)晶行為。A1~(3+)及Cu~(2+)離子參與碳酸鈣形核過程,摻雜于碳酸鈣晶胞內(nèi),Fe~(3+)離子通過表面吸附干擾結(jié)垢;Cu~(2+)離子能有效抑制方解石晶型形成,Al~(3+)離子一定程度抑制文石晶型形成,Fe~(3+)離子對方解石和文石晶型均有抑制作用。實際工程應(yīng)用中,結(jié)垢環(huán)境中存在一定量Cu~(2+)、Fe~(3+)等金屬陽離子對于基材表面防結(jié)垢行為具有一定的積極作用。7.特殊潤濕性涂層防結(jié)垢工程應(yīng)用示范表明,疏水涂層防結(jié)垢性能優(yōu)異,可減輕油田管道的結(jié)垢、腐蝕等綜合問題。工程應(yīng)用示范與實驗室模擬結(jié)垢試驗結(jié)果基本吻合一致,為進一步促進特殊潤濕性涂層防結(jié)垢工程應(yīng)用奠定了良好的理論及技術(shù)基礎(chǔ)。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TK172
【部分圖文】：

．１課題背景及意義??．１．１結(jié)垢現(xiàn)象及原因??結(jié)垢是一種常見的物理化學(xué)現(xiàn)象，如開水壺內(nèi)壁“水鍋巴”就是典型的結(jié)??。在工業(yè)領(lǐng)域，換熱器設(shè)備、油田化工管道、以及海水淡化設(shè)備等更是面臨??結(jié)垢的挑戰(zhàn)和危害。據(jù)調(diào)查，９０％以上的換熱設(shè)備都存在不同程度的結(jié)垢問題??（Ｓｔｅｉｎｈａｇｅｎ等．，１９９３），結(jié)垢導(dǎo)致?lián)Q熱器熱阻增加、傳熱效率下降，造成能??浪費，我國每年因換熱器結(jié)垢造成的經(jīng)濟損失高達數(shù)千億元；對于油田管??，結(jié)垢導(dǎo)致管道流體阻力增加、管道堵塞，甚至造成安全事故；結(jié)垢還影響??境，大量使用的化學(xué)阻垢劑以及結(jié)垢物清洗過程產(chǎn)生的廢水給土壤及水資源??境帶來直接的污染。在能源消耗及碳排放方面，結(jié)垢導(dǎo)致大量額外的能源消??。據(jù)統(tǒng)計，全球每年結(jié)垢致Ｃ０２排放量占據(jù)了人類活動Ｃ０２排放總量約２．５％??（Ｍｉｉｌｌｅｒ等．，２００９）。因此，解決結(jié)垢問題對于降低能源浪費、提升經(jīng)濟效益??以及促進環(huán)境保護事業(yè)具有重要作用和意義。??

碳酸錢的存在形式有方解石（ｃａｌｃｉｔｅ）、文石（ａｒａｇｏｎｉｔｅ）和球霰石（ｖａｔｅｒｉｔｅ）??以及無定形態(tài)（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ?ｃａｌｃｉｕｍ?ｃａｒｂｏｎａｔｅ）。方解石、文石和球霰石三種晶??體屬于同質(zhì)異像，具有不同的形貌特性（謝彩鋒等．，２００７）（圖１．２）：方解??石屬六方晶系，通常呈現(xiàn)方塊狀、菱形；文石屬正交晶系表現(xiàn)為尖針狀、棒??狀；球霰石屬正交晶系表現(xiàn)為圓球狀、六方片狀。其中，方解石是碳酸鈣最穩(wěn)??定的晶型，球霰石最不穩(wěn)定，文石的穩(wěn)定性介于兩者之間。在自然界中，碳酸??鈣主要以方解石和文石形態(tài)存在，球霰石在自然界很難存在，僅在生物體內(nèi)有??少量的發(fā)現(xiàn)（雷云，２０１４）。球霰石具有相當(dāng)松散的結(jié)構(gòu)，容易轉(zhuǎn)化為文石和??方解石（Ｓｃｈｍｉｄｔ?等．，２０１０）。??ｈｈ??圖１．２碳酸鈣的三種不同晶型形貌（謝彩鋒等．，２００７）??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｔｈｒｅｅ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｆｏｒｍｓ?ｏｆ?ｃａｌｃｉｕｍ?ｃａｒｂｏｎａｔｅ??碳酸鈣結(jié)垢結(jié)晶過程：結(jié)垢離子或分子（Ｃａ２＋、ＣＯＰ－）在水溶液中總是不??停地運動

圖１．３碳酸鈣結(jié)晶過程的兩種理論示意圖??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｃａｌｃｉｕｍ?ｃａｒｂｏｎａｔｅ?ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ??碳酸鈣形核并長大為特征形貌晶體的過程曾引發(fā)了爭論。如圖１．３所示，根??據(jù)傳統(tǒng)結(jié)晶理論，結(jié)垢離子結(jié)合形成原始臨界晶蔟，由臨界晶蔟轉(zhuǎn)變至碳酸鈣??晶體某種形態(tài)（方解石、文石、球霰石或無定形態(tài)），這個過程受結(jié)晶熱力學(xué)??和動力學(xué)因素控制；Ｓｃｉｅｎｃｅ曾報道碳酸鈣形核及晶型演變的一種新理論??（Ｐｏｕｇｅｔ，?２００９；?Ｇｅｂａｕｅｒ等．，２００８），這種新的結(jié)晶途徑是：少量的結(jié)垢離子??形成穩(wěn)定存在的團簇，這些團簇逐漸長大發(fā)展為碳酸鈣無定形態(tài)，再經(jīng)由無定??形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕}穩(wěn)定的結(jié)晶形態(tài)（方解石、文石、球霰石）。兩種理論的關(guān)??４??
【參考文獻】

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本文編號：2851049