特殊润湿性表面抑制结垢结晶及表界面行为研究

发布时间：2020-10-22 03:49

　　 结垢是换热器、油田管道等工业领域面临的重大挑战,传统防垢阻垢技术普遍存在除垢效率低、能耗高、环境污染以及中断生产等技术难题,表面涂层技术作为一种新型阻垢技术得到广泛关注。针对目前表面涂层抑制结垢形核的认识与研究不足,本研究设计/建立了简便、合理的静态/动态结垢试验系统/方法,深入开展不同基材、不同润湿性表面涂层静态/动态结垢试验,考察材料表面化学组分、润湿性、微观结构、阻垢剂、介质流动状态以及腐蚀因素等对结垢结晶行为的影响,并探索一种新型自修复阻垢涂层技术及其作用机理。本文研究结果期望为进一步提升工业领域防结垢水平提供理论基础及技术支持。本文的主要研究与创新包括以下几个方面:1.本研究采用Ca~(2+)-H_2O-HCO_3~-结垢液介质,创新性设计/建立了静态/动态结垢试验装置系统。装置结构合理、性能可靠、操作简便,能科学合理地模拟静态及动态结垢试验环境/介质氛围,为有效开展不同润湿性材料表面结垢性能测试试验提供技术/平台支撑。2.不同基材静/动态结垢试验表明,随着材料基材表面能降低,疏水性增强,材料表面结垢量显著降低,疏水性高分子材料表面结垢量明显低于金属基材,高分子材料表面平均结垢量约0.17mg/cm~2,仅为金属基材表面平均结垢量的41%(0.41mg/cm~2);铝、铜、尼龙三种基材表面结垢晶型各不相同,铝表面主要为方解石,铜表面主要为文石,而尼龙为方解石和文石的混合体;碳酸钙污垢于材料表面异相成核、结晶、生长为垢累积增长的主要方式。因此,解决结垢问题应该重点关注垢表面前期异相成核、结晶/生长阶段。3.本研究发现,在静态结垢环境下,表面粗糙且疏水性高的涂层具有较好的防垢效果(结垢量仅约0.10mg/cm~2),而在动态结垢环境中,表面光滑且疏水性较弱的涂层具有较好的防垢功效(结垢量仅约0.09 mg/cm~2)。于此基础上,本研究创新性提出多因素结垢理论模型(微观结构、润湿性/表面能、流体介质等协同作用),揭示了特殊润湿性表面于不同介质环境氛围/状态抑制结垢/结晶的作用机理。静态结垢环境下,垢的生长取决于表面特性状态,低表面能/非润湿性表面有利于抑制结垢;于动态结垢环境,流体扰动导致体系熵△S改变是影响结垢结晶的关键因素,粗糙表面因局部涡流导致熵AS增加而促进表面结垢;光滑表面出现平流/层流,表面附近熵增较小、成核势垒AG较高,从而降低污垢的形核与结晶生长。4.本研究发现有机硅氧烷改性涂层(-C-Si-O)在结垢过程中具有“自修复”特性。结垢试验过程中有机硅氧烷逐渐迁移并覆盖于钙垢表面,进一步降低表面润湿性/表面能,从而抑制表面污垢的延续结晶/生长,发挥独特的防垢效果。此外,疏水涂层与阻垢剂乙二胺四甲叉磷酸钠(EDTMPS)协同作用,阻垢率达85%以上,可作为进一步提升防垢功效的有效手段之一。5.金属表面腐蚀对抑制表面污垢结晶和促进垢脱除均具有积极意义。金属腐蚀导致基材表面形貌/成分发生改变、结构粗化,促进已生成的碳酸钙垢脱落,且表面粗糙结构并未引发垢颗粒二次附着/沉积;腐蚀产物离子促进碳酸钙于液相介质中进一步异相形核,碳酸钙过饱和度大幅减小,金属基材壁面/表面结垢形核减少,从而大大抑制金属基材表面污垢的结晶及生长。6.金属阳离子Al~(3+)、Fe~(3+)、Cu~(2+)均能影响碳酸钙的结垢结晶行为。A1~(3+)及Cu~(2+)离子参与碳酸钙形核过程,掺杂于碳酸钙晶胞内,Fe~(3+)离子通过表面吸附干扰结垢;Cu~(2+)离子能有效抑制方解石晶型形成,Al~(3+)离子一定程度抑制文石晶型形成,Fe~(3+)离子对方解石和文石晶型均有抑制作用。实际工程应用中,结垢环境中存在一定量Cu~(2+)、Fe~(3+)等金属阳离子对于基材表面防结垢行为具有一定的积极作用。7.特殊润湿性涂层防结垢工程应用示范表明,疏水涂层防结垢性能优异,可减轻油田管道的结垢、腐蚀等综合问题。工程应用示范与实验室模拟结垢试验结果基本吻合一致,为进一步促进特殊润湿性涂层防结垢工程应用奠定了良好的理论及技术基础。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院重庆绿色智能技术研究院)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TK172
【部分图文】：

．１课题背景及意义??．１．１结垢现象及原因??结垢是一种常见的物理化学现象，如开水壶内壁“水锅巴”就是典型的结??。在工业领域，换热器设备、油田化工管道、以及海水淡化设备等更是面临??结垢的挑战和危害。据调查，９０％以上的换热设备都存在不同程度的结垢问题??（Ｓｔｅｉｎｈａｇｅｎ等．，１９９３），结垢导致换热器热阻增加、传热效率下降，造成能??浪费，我国每年因换热器结垢造成的经济损失高达数千亿元；对于油田管??，结垢导致管道流体阻力增加、管道堵塞，甚至造成安全事故；结垢还影响??境，大量使用的化学阻垢剂以及结垢物清洗过程产生的废水给土壤及水资源??境带来直接的污染。在能源消耗及碳排放方面，结垢导致大量额外的能源消??。据统计，全球每年结垢致Ｃ０２排放量占据了人类活动Ｃ０２排放总量约２．５％??（Ｍｉｉｌｌｅｒ等．，２００９）。因此，解决结垢问题对于降低能源浪费、提升经济效益??以及促进环境保护事业具有重要作用和意义。??

碳酸钱的存在形式有方解石（ｃａｌｃｉｔｅ）、文石（ａｒａｇｏｎｉｔｅ）和球霰石（ｖａｔｅｒｉｔｅ）??以及无定形态（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ?ｃａｌｃｉｕｍ?ｃａｒｂｏｎａｔｅ）。方解石、文石和球霰石三种晶??体属于同质异像，具有不同的形貌特性（谢彩锋等．，２００７）（图１．２）：方解??石属六方晶系，通常呈现方块状、菱形；文石属正交晶系表现为尖针状、棒??状；球霰石属正交晶系表现为圆球状、六方片状。其中，方解石是碳酸钙最稳??定的晶型，球霰石最不稳定，文石的稳定性介于两者之间。在自然界中，碳酸??钙主要以方解石和文石形态存在，球霰石在自然界很难存在，仅在生物体内有??少量的发现（雷云，２０１４）。球霰石具有相当松散的结构，容易转化为文石和??方解石（Ｓｃｈｍｉｄｔ?等．，２０１０）。??ｈｈ??图１．２碳酸钙的三种不同晶型形貌（谢彩锋等．，２００７）??Ｆｉｇｕｒｅ?１．２?Ｔｈｒｅｅ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｆｏｒｍｓ?ｏｆ?ｃａｌｃｉｕｍ?ｃａｒｂｏｎａｔｅ??碳酸钙结垢结晶过程：结垢离子或分子（Ｃａ２＋、ＣＯＰ－）在水溶液中总是不??停地运动

图１．３碳酸钙结晶过程的两种理论示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｃａｌｃｉｕｍ?ｃａｒｂｏｎａｔｅ?ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ?ｐｒｏｃｅｓｓ??碳酸钙形核并长大为特征形貌晶体的过程曾引发了争论。如图１．３所示，根??据传统结晶理论，结垢离子结合形成原始临界晶蔟，由临界晶蔟转变至碳酸钙??晶体某种形态（方解石、文石、球霰石或无定形态），这个过程受结晶热力学??和动力学因素控制；Ｓｃｉｅｎｃｅ曾报道碳酸钙形核及晶型演变的一种新理论??（Ｐｏｕｇｅｔ，?２００９；?Ｇｅｂａｕｅｒ等．，２００８），这种新的结晶途径是：少量的结垢离子??形成稳定存在的团簇，这些团簇逐渐长大发展为碳酸钙无定形态，再经由无定??形态转变为碳酸钙稳定的结晶形态（方解石、文石、球霰石）。两种理论的关??４??
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 郑生宏;贺建国;贾品元;李开连;张小荣;霍丙新;霍森林;;加热炉换热盘管阻垢涂层新技术[J];石油机械;2015年10期

2 程子非;金文倩;马春红;莫东平;侯峰;;金属材料在模拟地热水环境中的腐蚀与结垢特性[J];表面技术;2015年08期

3 刘亚洲;张巍松;;炼厂换热器垢下腐蚀原因分析及预防措施[J];化工技术与开发;2015年08期

4 李云钊;宋兴福;孙玉柱;孙泽;于建国;;反应-萃取-结晶过程制备碳酸钙的晶型转变与结晶机理[J];化工学报;2015年10期

5 孙延安;李春福;陈晓东;;表面润湿性对三元复合驱设备结垢的影响[J];石油与天然气化工;2014年06期

6 雷云;;球霰石型碳酸钙的研究进展[J];长江大学学报(自科版);2014年34期

7 王建国;陆帅;李松;;电磁场对碳酸钙反应结晶成核影响的研究[J];工业水处理;2014年09期

8 连峰;谭家政;张会臣;;超疏水钛合金表面制备及其抗海洋生物附着性能[J];稀有金属材料与工程;2014年09期

9 张群;朱万华;汪绪武;张清;;超细碳酸钙微球的制备[J];人工晶体学报;2014年02期

10 刘福杰;齐育红;张占平;;固化剂和硅烷偶联剂对有机硅涂层性能的影响[J];中国表面工程;2014年01期

相关硕士学位论文 前7条

1 孟园园;结垢对P110钢腐蚀的影响及其控制措施[D];西南石油大学;2016年

2 叶朝曦;Ni-P化学镀改性换热表面阻垢特性试验研究[D];华东理工大学;2014年

3 刘义达;换热器金属表面行为对其析晶污垢生成特性的影响研究[D];山东大学;2011年

4 赵亮;外部条件对碳酸钙析晶污垢影响实验研究[D];山东大学;2010年

5 王瑞英;防垢耐蚀耐磨涂层的制备与性能研究[D];中国石油大学;2010年

6 李强;合金材料的防垢防腐蚀机理及实验研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

7 张明玉;特氟龙涂层表面特性对CaCO_3污垢影响的研究[D];东北电力大学;2009年

本文编号：2851049