低分子质量羧酸聚合物阻垢剂效果评价和理论研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0249

工业水处理 ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (1): 50-55. doi: 10.19965/j.cnki.iwt.2022-0249

低分子质量羧酸聚合物阻垢剂效果评价和理论研究

张可桂¹(),左玉炜²,杨文忠²(),葛峰¹,朱新胜¹

^1.生态环境部南京环境科学研究所, 江苏南京 210042
^2.南京工业大学化学与分子工程学院, 江苏南京 210037

收稿日期:2022-11-15 出版日期:2023-01-20 发布日期:2023-01-16
通讯作者: 杨文忠 E-mail:njutzkg@163.com;yangwznjtech@163.com
作者简介:张可桂（1989— ），助理研究员。E-mail：njutzkg@163.com|杨文忠，教授。E-mail：yangwznjtech@163.com。
基金资助:
生态环境部南京环境科学研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项资助项目(GYZX220302)

Performance evaluation and theoretical study of carboxylic polymers with low molecular weight as scale inhibitors

Kegui ZHANG¹(),Yuwei ZUO²,Wenzhong YANG²(),Feng GE¹,Xinsheng ZHU¹

^1.Nanjing Institute of Environmental Science，Ministry of Ecology and Environmental of the People’s Republic of China，Nanjing 210042，China
^2.College of Chemistry and Molecular Engineering，Nanjing Tech University，Nanjing 210037，China

Received:2022-11-15 Online:2023-01-20 Published:2023-01-16
Contact: Wenzhong YANG E-mail:njutzkg@163.com;yangwznjtech@163.com

摘要/Abstract

摘要：

以低分子质量聚丙烯酸（PAA）和聚环氧琥珀酸（PESA）为研究对象，通过静态阻垢实验和分散能力测试评价其对碳酸钙垢的抑制效果，并结合量子化学计算及分子动力学模拟深入研究羧酸类分子结构与阻垢效果之间的关系。结果表明，两种低分子质量羧酸聚合物阻垢剂抑制了垢晶体的正常生长，引发了晶体畸变，且主要作用于方解石晶体的（104）和（110）晶面。和PESA相比，PAA具有更多的羧酸基团和负电荷，使其与Ca²⁺之间的结合能增大，从而具备更高的阻垢效率。此外，温度对PAA阻垢能力的影响大于PESA。

关键词: 聚丙烯酸, 聚环氧琥珀酸, 阻垢剂, 量子化学

Abstract:

In this work，polyacrylic acid（PAA） and polyepoxysuccinic acid（PESA） with low molecular weight were investigated as inhibitors for CaCO₃ scale through static experiment and dispersion test. The relationship between carboxylic molecular structure and inhibitory effect was further studied by quantum chemical calculations and molecular dynamics simulations. The results indicated those two carboxylic polymers inhibited the normal growth of scale crystal and induced its distortion，and the （104） and （110） surface of calcite crystal were mainly affected. Compared with PESA，PAA has more carboxylic group and negative charge，which made the binding energy with Ca²⁺ stronger and provided it the better inhibiting efficiency. Moreover，the inhibitory ability of PAA was affected more than that of PESA by temperature.

Key words: polyacrylic acid, polyepoxysuccinic acid, scale inhibitor, quantum chemical

中图分类号:

TQ085

张可桂,左玉炜,杨文忠,葛峰,朱新胜. 低分子质量羧酸聚合物阻垢剂效果评价和理论研究[J]. 工业水处理, 2023, 43(1): 50-55.

Kegui ZHANG,Yuwei ZUO,Wenzhong YANG,Feng GE,Xinsheng ZHU. Performance evaluation and theoretical study of carboxylic polymers with low molecular weight as scale inhibitors[J]. Industrial Water Treatment, 2023, 43(1): 50-55.

https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I1/50

图/表 10

图1 PAA和PESA在不同阻垢剂浓度和温度下的阻垢效率

Fig. 1 The inhibition efficiency of PAA and PESA at different concentration and temperature

图2 30 ℃和80 ℃时含有不同浓度阻垢剂的溶液中碳酸钙沉淀的XRD
c—方解石；a—文石；v—球霰石

Fig.2 The XRD results for CaCO₃ depositions with different concentrations of PESA and PAA at 30 ℃ and 80 ℃

图3 80 ℃时含有不同浓度阻垢剂的溶液中碳酸钙沉淀的微观形貌

Fig. 3 The SEM images of of CaCO₃ in the absence and presence of PESA and PAA at 80 ℃

图4 不同浓度阻垢剂对Fe₂O₃悬浮液透光率的影响

Fig. 4 The transmittance curves for Fe₂O₃ particles in the presence of different concentration scale inhibitors

图5 分子模拟过程的能量和温度扰动

Fig. 5 Fluctuations of energy and temperature during molecular simulations

图6 阻垢剂分子在方解石晶面的初始构型和平衡构型

Fig. 6 The original and balanced structures of scale inhibitor molecules on calcite surface

表1 羧酸聚合物和方解石晶体之间的相互作用能和结合能

Table 1 The interaction energy and binding energy between carboxylic polymers and calcite crystal

晶面	分子	相互作用能/（kJ·mol^-1）	结合能/（kJ·mol^-1）
（104）	PESA	-291.2	291.2
（104）	PAA	-444.6	444.6
（110）	PESA	-360.8	360.8
（110）	PAA	-591.2	591.2

图7 PAA和PESA单体的优化结构

Fig. 7 The optimal configurations of PAA and PESA monomer

表2 阻垢剂分子负电荷分布情况

Table 2 The distribution of negative charge for inhibitor molecules

阻垢剂分子	—OH/eV	C $? ?????$ O/eV
PESA	-0.554	-0.389
PAA	-0.610	-0.438

表2 阻垢剂分子负电荷分布情况

Table 2 The distribution of negative charge for inhibitor molecules

阻垢剂分子	—OH/eV	C $? ?????$ O/eV
PESA	-0.554	-0.389
PAA	-0.610	-0.438

图8 阻垢机理

Fig. 8 Schematic illustration of the mechanism

参考文献 10

1	张可桂，左兆顺，杨文忠，等. HEDP、PBTCA、PAA对CaCO₃垢抑制作用的电化学研究［J］. 工业水处理，2021，41（9）：117-123. URL
	ZHANG Kegui， ZUO Zhaoshun， YANG Wenzhong，et al. Electrochemical investigations of the inhibitory effect of HEDP，PBTCA and PAA on CaCO₃ scale［J］. Industrial Water Treatment，2021，41（9）：117-123. URL
2	王亚杰，秦冬玲，杨刚. 超支化聚酯阻垢剂的合成［J］. 南京工业大学学报：自然科学版，2021，43（4）：442-449. doi:10.3969/j.issn.1671-7627.2021.04.005 doi: 10.3969/j.issn.1671-7627.2021.04.005 URL
	WANG Yajie， QIN Dongling， YANG Gang. Synthesis of hyperbranched polyester scale inhibitor［J］. Journal of Nanjing Tech University（Natural Science Edition），2021，43（4）：442-449. doi:10.3969/j.issn.1671-7627.2021.04.005 doi: 10.3969/j.issn.1671-7627.2021.04.005 URL
3	YUAN Xiaojing， DONG Sheying， ZHENG Qian，et al. Novel and efficient curcumin based fluorescent polymer for scale and corrosion inhibition［J］. Chemical Engineering Journal，2020，389：124296. doi:10.1016/j.cej.2020.124296 doi: 10.1016/j.cej.2020.124296 URL
4	SUO Gaofeng， XIE Lixin， XU Shichang，et al. Study on inhibitors’ performance under the condition of high concentration ratio in MED system［J］. Desalination，2018，437：100-107. doi:10.1016/j.desal.2018.02.019 doi: 10.1016/j.desal.2018.02.019 URL
5	YLIKANTOLA A， LINNANTO J， KNUUTINEN J，et al. Molecular modeling studies of interactions between sodium polyacrylate polymer and calcite surface［J］. Applied Surface Science，2013，276：43-52. doi:10.1016/j.apsusc.2013.02.122 doi: 10.1016/j.apsusc.2013.02.122 URL
6	CHEN Chunyu， LEI Wu， XIA Mingzhu，et al. Molecular modeling of several phosphonates onto the stepped calcite（011） surface［J］. Desalination，2013，309：208-212. doi:10.1016/j.desal.2012.10.012 doi: 10.1016/j.desal.2012.10.012 URL
7	WANG Lingling， YANG Fengjian， ZHAO Xiuhua，et al. Effects of nitro- and amino-group on the antioxidant activity of genistein：A theoretical study［J］. Food Chemistry，2019，275：339-345. doi:10.1016/j.foodchem.2018.09.108 doi: 10.1016/j.foodchem.2018.09.108 URL
8	ZHANG Kegui， XU Bin， YANG Wenzhong，et al. Halogen-substituted imidazoline derivatives as corrosion inhibitors for mild steel in hydrochloric acid solution［J］. Corrosion Science，2015，90：284-295. doi:10.1016/j.corsci.2014.10.032 doi: 10.1016/j.corsci.2014.10.032 URL
9	TANG Yongming， YANG Xiaoyuan， YANG Wenzhong，et al. A preliminary investigation of corrosion inhibition of mild steel in 0.5 mol/L H₂SO₄ by 2-amino-5-（N-pyridyl）-1，3，4-thiadiazole：Polarization，EIS and molecular dynamics simulations［J］. Corrosion Science，2010，52（5）：1801-1808. doi:10.1016/j.corsci.2010.01.028 doi: 10.1016/j.corsci.2010.01.028 URL
10	WEBER E， LEVY D， SASSON M BEN，et al. Structural analysis of metal-doped calcium oxalate［J］. RSC Advances，2015，5（119）：98626-98633. doi:10.1039/c5ra20870j doi: 10.1039/c5ra20870j URL

[1]	刘会媛, 柳鑫华, 关俊霞, 王瀛, 舒世立, 王磊, 李雨龙, 闫子萱, 夏雨博, 杜嘉瑞, 周鑫, 向和琼, 张心媛. 聚环氧琥珀酸衍生物在酸介质中的缓蚀性能[J]. 工业水处理, 2025, 45(3): 137-143.
[2]	郭肖依, 张颖, 王永军, 刘学敏, 崔广振, 吴结丰. 高稳定性聚丙烯酸酯反相破乳剂的合成与应用[J]. 工业水处理, 2025, 45(2): 138-143.
[3]	刘登科, 杨庆峰, 刘阳桥. 钇锆双金属MOFs对有机膦阻垢剂HEDP的吸附研究[J]. 工业水处理, 2024, 44(2): 73-78.
[4]	张可桂,左兆顺,杨文忠,葛峰,陈云,尹晓爽,刘瑛. HEDP、PBTCA、PAA对CaCO₃垢抑制作用的电化学研究[J]. 工业水处理, 2021, 41(9): 117-123.
[5]	程玉山,吴晋英,黄长山. 聚天冬氨酸阻垢缓蚀性能量子化学研究[J]. 工业水处理, 2021, 41(7): 100-104.
[6]	邹凯然,徐斌,樊保民,朱珣,陈桉文,乔宁. 聚环氧琥珀酸衍生物绿色阻垢剂的合成及性能研究[J]. 工业水处理, 2021, 41(5): 109-113.
[7]	张一江,刘会媛,柳鑫华,王磊,李繁麟. 聚环氧琥珀酸共聚物阻垢缓蚀性能的研究[J]. 工业水处理, 2021, 41(3): 88-92.
[8]	任大军,庄梦娟,张淑琴,张晓晴. 绿色阻垢剂研究进展[J]. 工业水处理, 2021, 41(12): 41-45.
[9]	魏婕,徐铭,李宏伟. 木质素磺酸钠接枝聚丙烯酸钠树脂的制备及其吸附[J]. 工业水处理, 2021, 41(10): 72-77.
[10]	房婉玉,彭凌,陈东升,田远松,沙亚东,魏无际. 无磷无氮型阻垢剂PESA-g-PAA/AHPS阻垢缓蚀性能[J]. 工业水处理, 2020, 40(8): 80-83.
[11]	余俊雄,杨秘,李冬宁,张继伟,王永军,张涛. 聚丙烯酸酯反相破乳剂的制备及其现场应用研究[J]. 工业水处理, 2020, 40(1): 37-39.
[12]	尹一铭,张一江,崔继方,柳鑫华,宋思佳,田竹青,王瀚琦,吴卫华. 聚环氧琥珀酸衍生物阻钙垢性能及生物降解性研究[J]. 工业水处理, 2019, 39(8): 41-43, 110.
[13]	郭曼曼, 张宾, 马立标, 柳荣展. 聚丙烯酸絮凝剂在印染污泥低温热处理中的应用[J]. 工业水处理, 2019, 39(4): 29-32.
[14]	王虎传, 彭成军, 边旭, 李学武, 李传润. 改性PPG多羧基阻垢剂的合成及阻垢性能研究[J]. 工业水处理, 2018, 38(6): 35-38.
[15]	陈小川, 陶蕾, 秦立娟. 电脉冲水处理技术阻垢机理及与PESA的协同阻垢性能[J]. 工业水处理, 2017, 37(8): 85-88.

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容

低分子质量羧酸聚合物阻垢剂效果评价和理论研究

Performance evaluation and theoretical study of carboxylic polymers with low molecular weight as scale inhibitors

RichHTML

PDF

可视化

被引次数

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 10

参考文献 10

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

模态框（Modal）标题

选择文件类型/文献管理软件名称

选择包含的内容

低分子质量羧酸聚合物阻垢剂效果评价和理论研究

Performance evaluation and theoretical study of carboxylic polymers with low molecular weight as scale inhibitors

RichHTML

PDF

可视化

被引次数

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 10

参考文献 10

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价