羧甲基纤维素钠阻垢特性的研究

发布时间：2020-11-18 12:53

　　 CaCO3污垢沉积在换热设备表面上,会造成换热表面污垢热阻增加,降低换热设备的换热效率,带来巨大的经济损失。为了降低CaCO3污垢沉积在换热表面给换热设备带来的危害,较为行之有效的方法就是向循环冷却水中添加一定量的阻垢剂。羧甲基纤维素钠(Sodium Carboxymethyl Cellulose)具有良好的阻垢特性,它无任何毒性,不会对生态环境造成任何污染,属于环境友好型阻垢剂。本文采用实验与分子动力学模拟两种手段对SCMC的阻垢特性展开研究。采用三种实验方法;pH位移法、电化学阻抗谱分析、流动实验法对SCMC的阻垢性能进行评定。pH位移法实验研究结果表明SCMC的阻垢效率可达到93%。电化学方法得到SCMC的阻垢效率为75%。而流动实验法得出SCMC的阻垢效率达到93.2%。三种方法均表明SCMC可以有效的抑制CaCO3污垢的生长。另外,通过环形在线监测流动实验台探究实验的运行条件以及SCMC的物性变化对SCMC阻垢性能的影响。实验研究结果表明:在一定的范围内,SCMC的阻垢效率随着浓度和温度的增加而增加。然而,随着实验流体流速的增加,SCMC的阻垢效率反而降低。SCMC取代度越大,阻垢效率越强,当SCMC取代度为0.9时,阻垢效率可以达到100%。通过扫描电镜和能谱分析仪对添加阻垢剂前后不锈钢表面的形貌和成分进行分析。结果发现,加入SCMC后,不锈钢的表面CaC03污垢的形貌发生显著的变化,由规则的立方体方解石结构转变为不规则的球状结构,方解石的外表面被紧紧的包裹,包裹物质的成分含有SCMC。由于SCMC的阻垢机理很难通过实验的方法直接给出确切解释,因此基于分子动力学模拟的方法,从微观的角度探究SCMC与不同方解石晶面(1-10,104,110)间相互作用。首先在无水模拟体系下,对SCMC实现阻垢特性的官能团进行分析。结果发现SCMC与方解石晶面间较强的相互作用主要取决于SCMC分子中的羧基和羟基官能团。在一定的范围内,SCMC聚合度和取代度越大,其与方解石晶面间的相互作用越强。为了更接近阻垢剂的实际存在环境,本文还构建了水环境下SCMC与方解石各晶面间相互作用的模拟体系。在该模拟体系下,探究了 SCMC浓度,体系温度变化,对SCMC在方解石表面吸附特性的影响。结果发现,在一定的范围内,SCMC浓度越大,出现在方解石晶体表面上方的阻垢剂分子数目越多,其与方解石(104)晶面间的相互作用越强,阻垢效率也越强。另外,升高体系温度也会促进SCMC与方解石晶面的相互作用。该结论与本文实验研究中SCMC浓度和温度对阻垢效率影响的结论相一致。因此基于分子动力学模拟的方法很好的解释了本文的实验研究结果。基于分子动力学模拟的方法,对SCMC在不同金属表面的缓蚀特性进行探究。首先在无水模拟体系下,对SCMC分子中能够实现缓蚀特性的四种氧原子进行分析。最终发现,对于Fe、Cu、Al三种金属表面,SCMC分子中的羧基与羟基官能团对其缓蚀特性起到决定性的作用。SCMC与Fe表面间的相互作用最强。在一定的范围内,SCMC浓度、取代度和聚合度越大,其与金属表面间的相互作用越强。在有水环境下,SCMC仍然能够挣脱水分子的束缚,最终吸附在金属表面。但是水分子的存在削弱了 SCMC与金属表面的相互作用能。通过润湿特性模拟体系的计算结果可知,添加缓蚀剂可以减小水分子在金属表面的润湿面积,防止水分子与金属表面接触,从而起到保护金属表面的作用。
【学位单位】：东北电力大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TQ085.412
【部分图文】：

，?２５ｍｇ，５０ｍｇ，??ｌＯＯｍｇ的ＳＣＭＣ阻垢剂样品于５００ｎｉｌ蒸馏水中，待其充分溶解后加入一定量的ＣａＣＩ２，充??分搅拌后加入ＮａＨＣ０３试剂，并搅拌均匀。??表２－１羧甲基纤维素钠的物ｆｔ??Ｔａｂｌｅ?２－１?Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ?ｏｆ?Ｓｏｄｉｕｍ?Ｃａｒｂｏｘｙｍｅｔｈｙｌｃｅｌｌｕｌｏｓｅ???取代度?ｐＨ值??钠含量???０．２－１．５?６．Ｂ－８．５?＾２％?＜１２．４％??＃５?Ｉ??、?１??ｉ??．ｗ．ｗ’??图２－１?ｐＨ测量仪实物图??Ｆｉｇ．?２－１?Ｐｈｙｓｉｃａｌ?ｄｒａｗｉｎｇ?ｏｆ?ｐＨ?ｍｅｔｅｒ??－１１－??

第２章实验与分子动力学模拟方法??加５?ｍＶ?的正弦扰动。????ＲＥＦ?？??????ＷＯＲＫ?？????應〇??１??电化学分析仪?ＩＩ????ｒｉ?１?＾?ｒ￣ｉ?．??参眺极??工作电极?１??扣电极—＾?Ｌｉ??Ｌ?噼．雨??：究恐棚！??Ｄｄｌ?Ｃｏｍｐｕｔｅｒ?＾＾??图２－２电化学实验示意图??Ｆｉｇ．?２－２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｓｙｓｔｅｍ??（ａ）饱和甘汞电极?（ｂ）粕电极?（ｃ）工作电极??图２－３电化学实验系统实物图??Ｆｉｇ．?２－３?Ｐｈｙｓｉｃａｌ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ｓｙｓｔｅｍ??２．１．２．２电化学阻抗谱原理??－１３－??

??的方式流经实验段，因此在循环系统中増设循环水泵，以克服循环系统的压力降，实现工??质的循环流动。实验过程中，循环工质流量的变化会影响实验运行的结果，在循环系统中??安装电磁流量计，一方面可以有效的监测实验运行前平衡阶段循环工质的流量波动情况，??并可以进行及时有效的调节，以保证实验运行的稳定性和可靠性。另一方面，在探宄循环??工质流量变化对阻垢剂阻垢特性的影响吋，可以通过电磁流量计调节不同的流量数值，以??获取不同流量下阻垢剂的阻垢特性。??实验段??实验段的详细结构和尺寸如图２－７所示，实验段为环形流动通道，由有机玻璃套筒和??３１６Ａ不锈钢管相嵌而成，不锈钢管位于同轴有机玻璃管的内部，总长为４２０ｍｍ，从其起??始位置１００ｍｍ处幵始为加热段，加热段的总长为１５０ｍｍ。不锈钢电加热棒布置在不锈钢??管的正中心位置，直径为１４?ｍｍ，长度２５０?ｍｍ，通过直流电源对其供电。加热棒的两端??是绝缘的，因此其轴向传热可忽略不计。在不锈钢管的四周均匀的布置４根直径为２?ｍｍ，??长度１７５?ｍｍ的ＰＴ１００热电阻，用于监测换热壁面温度的变化。在实验运行过程中，循环??工质自下而上流经实验段环形流动通道，避免了重力因素造成的污垢沉积的影响。??ｉＢｉＴ??，，１！｜１１?！?１??＾＾－?！?Ｉ?１．．．：：?Ｉ?Ｉ??ｓ?ｉｉｐｉｌ—５??ｓ?Ｉ?ｌｉｉｌｌ??ｉｌｌ?—??ｉ?丨額＿勸浪ｉｊｉ：??＾?Ｖ?賴賴Ｓ醜择墩？．??ＯＤ＾１４?ｍｍ??图２－７实验段的详细结构与尺寸??Ｆｉｇ．?２－７?Ｄｅｔａｉｌｅｄ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ａｎｄ?ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
【参考文献】

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本文编号：2888738