結垢是換熱器、油田管道等工業(yè)領域面臨的重大挑戰(zhàn),傳統(tǒng)防垢阻垢技術普遍存在除垢效率低、能耗高、環(huán)境污染以及中斷生產(chǎn)等技術難題,表面涂層技術作為一種新型阻垢技術得到廣泛關注。針對目前表面涂層抑制結垢形核的認識與研究不足,本研究設計/建立了簡便、合理的靜態(tài)/動態(tài)結垢試驗系統(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)結垢試驗,考察材料表面化學組分、潤濕性、微觀結構、阻垢劑、介質(zhì)流動狀態(tài)以及腐蝕因素等對結垢結晶行為的影響,并探索一種新型自修復阻垢涂層技術及其作用機理。本文研究結果期望為進一步提升工業(yè)領域防結垢水平提供理論基礎及技術支持。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~-結垢液介質(zhì),創(chuàng)新性設計/建立了靜態(tài)/動態(tài)結垢試驗裝置系統(tǒng)。裝置結構合理、性能可靠、操作簡便,能科學合理地模擬靜態(tài)及動態(tài)結垢試驗環(huán)境/介質(zhì)氛圍,為有效開展不同潤濕性材料表面結垢性能測試試驗提供技術/平臺支撐。2.不同基材靜/動態(tài)結垢試驗表明,隨著材料基材表面能降低,疏水性增強,材料表面結垢量顯著降低,疏水性高分子材料表面結垢量明顯低于金屬基材,高分子材料表面平均結垢量約0.17mg/cm~2,僅為金屬基材表面平均結垢量的41%(0.41mg/cm~2);鋁、銅、尼龍三種基材表面結垢晶型各不相同,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、結晶、生長為垢累積增長的主要方式。因此,解決結垢問題應該重點關注垢表面前期異相成核、結晶/生長階段。3.本研究發(fā)現(xiàn),在靜態(tài)結垢環(huán)境下,表面粗糙且疏水性高的涂層具有較好的防垢效果(結垢量僅約0.10mg/cm~2),而在動態(tài)結垢環(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(結垢量僅約0.09 mg/cm~2)。于此基礎上,本研究創(chuàng)新性提出多因素結垢理論模型(微觀結構、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)抑制結垢/結晶的作用機理。靜態(tài)結垢環(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垢;于動態(tài)結垢環(huán)境,流體擾動導致體系熵△S改變是影響結垢結晶的關鍵因素,粗糙表面因局部渦流導致熵AS增加而促進表面結垢;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)在結垢過程中具有“自修復”特性。結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晶和促進垢脫除均具有積極意義。金屬腐蝕導致基材表面形貌/成分發(fā)生改變、結構粗化,促進已生成的碳酸鈣垢脫落,且表面粗糙結構并未引發(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/表面結垢形核減少,從而大大抑制金屬基材表面污垢的結晶及生長。6.金屬陽離子Al~(3+)、Fe~(3+)、Cu~(2+)均能影響碳酸鈣的結垢結晶行為。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。實際工程應用中,結垢環(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垢行為具有一定的積極作用。7.特殊潤濕性涂層防結垢工程應用示范表明,疏水涂層防結垢性能優(yōu)異,可減輕油田管道的結垢、腐蝕等綜合問題。工程應用示范與實驗室模擬結垢試驗結果基本吻合一致,為進一步促進特殊潤濕性涂層防結垢工程應用奠定了良好的理論及技術基礎。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院重慶綠色智能技術研究院)
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TK172
【部分圖文】：

．１課題背景及意義??．１．１結垢現(xiàn)象及原因??結垢是一種常見的物理化學現(xiàn)象，如開水壺內(nèi)壁“水鍋巴”就是典型的結??。在工業(yè)領域，換熱器設備、油田化工管道、以及海水淡化設備等更是面臨??結垢的挑戰(zhàn)和危害。據(jù)調(diào)查，９０％以上的換熱設備都存在不同程度的結垢問題??（Ｓｔｅｉｎｈａｇｅｎ等．，１９９３），結垢導致?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垢造成的經(jīng)濟損失高達數(shù)千億元；對于油田管??，結垢導致管道流體阻力增加、管道堵塞，甚至造成安全事故；結垢還影響??境，大量使用的化學阻垢劑以及結垢物清洗過程產(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，結垢導致大量額外的能源消??。據(jù)統(tǒng)計，全球每年結垢致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）。球霰石具有相當松散的結構，容易轉化為文石和??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??碳酸鈣結垢結晶過程：結垢離子或分子（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)結晶理論，結垢離子結合形成原始臨界晶蔟，由臨界晶蔟轉變至碳酸鈣??晶體某種形態(tài)（方解石、文石、球霰石或無定形態(tài)），這個過程受結晶熱力學??和動力學因素控制；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），這種新的結晶途徑是：少量的結垢離子??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)轉變?yōu)樘妓徕}穩(wěn)定的結晶形態(tài)（方解石、文石、球霰石）。兩種理論的關??４??
【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 鄭生宏;賀建國;賈品元;李開連;張小榮;霍丙新;霍森林;;加熱爐換熱盤管阻垢涂層新技術[J];石油機械;2015年10期

2 程子非;金文倩;馬春紅;莫東平;侯峰;;金屬材料在模擬地熱水環(huán)境中的腐蝕與結垢特性[J];表面技術;2015年08期

3 劉亞洲;張巍松;;煉廠換熱器垢下腐蝕原因分析及預防措施[J];化工技術與開發(fā);2015年08期

4 李云釗;宋興福;孫玉柱;孫澤;于建國;;反應-萃取-結晶過程制備碳酸鈣的晶型轉變與結晶機理[J];化工學報;2015年10期

5 孫延安;李春福;陳曉東;;表面潤濕性對三元復合驅設備結垢的影響[J];石油與天然氣化工;2014年06期

6 雷云;;球霰石型碳酸鈣的研究進展[J];長江大學學報(自科版);2014年34期

7 王建國;陸帥;李松;;電磁場對碳酸鈣反應結晶成核影響的研究[J];工業(yè)水處理;2014年09期

8 連峰;譚家政;張會臣;;超疏水鈦合金表面制備及其抗海洋生物附著性能[J];稀有金屬材料與工程;2014年09期

9 張群;朱萬華;汪緒武;張清;;超細碳酸鈣微球的制備[J];人工晶體學報;2014年02期

10 劉福杰;齊育紅;張占平;;固化劑和硅烷偶聯(lián)劑對有機硅涂層性能的影響[J];中國表面工程;2014年01期

相關碩士學位論文 前7條

1 孟園園;結垢對P110鋼腐蝕的影響及其控制措施[D];西南石油大學;2016年

2 葉朝曦;Ni-P化學鍍改性換熱表面阻垢特性試驗研究[D];華東理工大學;2014年

3 劉義達;換熱器金屬表面行為對其析晶污垢生成特性的影響研究[D];山東大學;2011年

4 趙亮;外部條件對碳酸鈣析晶污垢影響實驗研究[D];山東大學;2010年

5 王瑞英;防垢耐蝕耐磨涂層的制備與性能研究[D];中國石油大學;2010年

6 李強;合金材料的防垢防腐蝕機理及實驗研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2009年

7 張明玉;特氟龍涂層表面特性對CaCO_3污垢影響的研究[D];東北電力大學;2009年

本文編號：2851049