摘要
循环用水是节约水资源的有效办法，但循环冷却水系统常常由于结垢严重，导致换热效率降低以及造成安全事故等。硫酸钙污垢是最常见的析晶污垢之一，覆盖在换热面上难以去除，影响安全生产。阿拉伯树胶在天然环境中生长而成，在水中溶解度高，不具毒性廉价易得，符合当今对绿色环保型阻垢剂的研发要求。本文应用实验方法、分子动力学模拟方法两种手段，对阿拉伯树胶抑制硫酸钙污垢的特性开展研究。 在实验研究方面，主要采用静态实验方法、EDTA滴定法和电化学方法对阿拉伯树胶对硫酸钙污垢的抑制效果开展研究。静态实验法的实验结果表明，阿拉伯树胶0mg/L时，污垢生成质量为24mg，当阿拉伯树胶浓度为100mg/L时，污垢生成质量为3.65mg，较未添加阻垢剂，硫酸钙污垢生成量降低84.79％;EDTA滴定法的实验结果表明，阿拉伯树胶0mg/L时，硫酸钙污垢结垢率为78.45％，当阿拉伯树胶浓度为100mg/L时，硫酸钙污垢结垢率降低至33.50％;电化学阻抗谱法的实验结果表明，随着阻垢剂浓度逐渐增大，容抗弧半径增大，不锈钢薄片上形成了致密的含阿拉伯树胶成分的保护膜，有效减少了硫酸钙在换热表面的沉积。三种实验结果均表明，阿拉伯树胶对硫酸钙晶体的生长有良好的抑制作用，且随着阿拉伯树胶浓度的增大对硫酸钙污垢生长的抑制效果增强。温度由293K增加至313K，对硫酸钙污垢的抑制效果增强，但若温度继续升高，对硫酸钙污垢的抑制效果反而减弱。 实验方法可以判断阿拉伯树胶是否有抑制硫酸钙污垢的效果，而分子动力学模拟方法则可以对阿拉伯树胶对硫酸钙污垢的抑制机理进行研究。在分子动力学模拟方面的研究中，分别构建无水环境和有水环境下，阿拉伯树胶和硫酸钙的三个主要生长晶面(020，-100，001)晶面的模拟体系，通过对阿拉伯树胶和硫酸钙晶面的吸附构型、结合能以及径向分布函数进行分析，对阿拉伯树胶和硫酸钙的三个主要生长晶面的相互作用情况加以研究，并分析出阿拉伯树胶起主要抑垢作用的官能团。在无水条件下标记出阿拉伯树胶分子链中四类氧原子，对Ca-O径向分布函数进行分析计算，结果表明阿拉伯树胶分子链中起主要抑垢作用的官能团是-COOH，-COOH中的主要功能原子为双键氧原子，-OH作用效果稍弱。在有水环境下，构建阿拉伯树胶和硫酸钙三个主要生长晶面模拟体系，模拟结果表明，阿拉伯树胶与硫酸钙晶面的相互作用力随浓度和聚合度的增加而增加，即阿拉伯树胶浓度和聚合度越大，其对硫酸钙污垢生长的抑制作用越强。阿拉伯树胶由主要功能官能团的带动，吸附到硫酸钙晶面上，占据硫酸钙晶体的生长点，使晶格扭转变形，进而起到阻垢作用。
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