流化床阻垢系统对CaCO<sub>3</sub>非稳定晶型影响机制研究

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0909

摘要/Abstract

摘要：

研究了不同回流速率和Ca²⁺浓度在流化床反应器中对结垢过程碳酸钙（CaCO₃）晶型的影响因素及相关机制。结果表明，流化床水力扰动可以阻止结晶前驱物向稳定相方解石转变。Ca²⁺质量浓度为2 000 mg/L时，回流速率提升促进非稳定相球状霰石和文石增长，最高占比可达90%以上（10 m/h），控制CaCO₃结晶终止于亚稳阶段。回流速率为8 m/h时，Ca²⁺浓度升高利于非稳定相玫瑰状及球状霰石生成，霰石含量可达90%以上，证明高钙浓度利于抑制霰石向方解石转变，形成有效阻垢。

关键词: 碳酸钙, 流化床反应器, 回流速率, 霰石

Abstract:

The influence mechanism of fluidized bed reactor on the crystallization process of calcium carbonate under different reflux rates and Ca concentrations was studied. The results showed that the transformation of crystalline precursor to stable phase was greatly inhibited under the hydraulic disturbance. Under the concentration of 2 000 mg/L of Ca²⁺，the increasing of reflux rate promoted the generation of unstable CaCO₃ phases such as spherical vaterite and aragonite with the percentage of more than 90% at 10 m/h， indicating that CaCO₃crystallizationwas controlled to be terminated at a usntabe state. At the reflux rate of 8 m/h，high Ca concentration was more conducive to the formation of rose shaped and spherical vaterite，accounting for more than 90%， which proved that high calcium concentration inhibited the transformation of vaterite to calcite and effectively prevented scaling.

Key words: calcium carbonate, fluidized bed reactor, reflux rate, vaterite

中图分类号:

TQ085+.41

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https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I8/74

图/表 13

图1 CaCO₃结晶过程三阶段和三种晶体空间结构

Fig. 1 Three stages of CaCO₃ crystallization process and three crystal space structures

图2 流化床反应器

Fig. 2 Fluidized bed reactor

表1 运行参数

Table 1 Operating parameters

样品号	回流速率/（m·h^-1）	Ca质量浓度/（mg·L^-1）
R₁	1.4	2 000
R₂	4.2	2 000
R₃	8.0	2 000
R₄	10.0	2 000
C₁	8.0	1 000
C₂	8.0	2 000
C₃	8.0	3 000
C₄	8.0	4 000

图3 25 ℃条件下溶液logLAP变化曲线（a）与CaCO₃多晶转变曲线（b）

Fig. 3 logLAP change curve of solution at 25 ℃ （a） andCaCO₃ polycrystalline transformation curve （b）

图4 出水中溶解Ca²⁺浓度随时间变化曲线

Fig. 4 Change curve of dissolved Ca²⁺ concentration in effluent with time

图5 CaCO₃结晶产物XRD图谱

Fig. 5 XRD pattern of CaCO₃ crystal product

表2 不同回流速率条件下CaCO₃结晶产物组合

Table 2 combination of CaCO₃ crystallization products under different reflux rates

样品号	CaCO₃矿物相质量分数/%			回流速率/（m·h^-1）	Ca质量浓度/（mg·L^-1）
样品号	方解石	霰石	文石	回流速率/（m·h^-1）	Ca质量浓度/（mg·L^-1）
R₁	38.8	61.2	0	1.4	2000
R₂	18.6	73.6	7.8	4.2	2000
R₃	13.5	78.4	8.1	8.0	2000
R₄	5.4	84.3	10.3	10.0	2000

图6 CaCO₃结晶产物电镜扫描图

Fig. 6 SEM of CaCO₃ crystal products spectroscopy

表3 不同回流速率条件下进出水的过饱和指数估算

Table 3 estimation of supersaturation index of inlet and outlet water under different reflux rates

样品编号	进水过饱和指数SI_in			出水过饱和指数SI_out
样品编号	方解石	霰石	文石	方解石	霰石	文石
R₁	5.60	5.03	5.46	-0.33	-0.90	-0.47
R₂	4.50	3.92	4.36	1.07	0.50	0.93
R₃	4.86	4.29	4.72	1.23	0.66	1.09
R₄	5.27	4.70	5.13	0.37	-0.20	0.23

图7 不同Ca²⁺进水浓度条件下出水中溶解Ca²⁺浓度随时间变化曲线

Fig. 7 change curve of dissolved Ca²⁺ concentration in effluent with time under different Ca²⁺ influent concentration

图8 不同Ca²⁺进水浓度条件下CaCO₃结晶产物XRD图谱

Fig. 8 XRD pattern of CaCO₃ crystal product under different Ca²⁺ influent concentration

表4 回流速率8.0 m/h条件下CaCO₃结晶产物组合

Table 4 Combination of CaCO₃ crystallization products under reflux rate of 8.0 m/h

样品号	CaCO₃矿物相含量/%			回流速率/（m·h^-1）	Ca质量浓度/（mg·L^-1）
样品号	方解石	霰石	文石	回流速率/（m·h^-1）	Ca质量浓度/（mg·L^-1）
C₁	22.3	71.4	6.3	8.0	1 000
C₂	13.5	78.4	8.1	8.0	2 000
C₃	6.4	91.7	1.9	8.0	3 000
C₄	5.9	94.1	0	8.0	4 000

表5 不同Ca²⁺浓度条件下进出水的过饱和指数估算

Table 5 Estimation of supersaturation index of inlet and outlet water under different Ca²⁺ concentrations

样品编号	进水过饱和指数SI_in			出水过饱和指数SI_out
样品编号	方解石	霰石	文石	方解石	霰石	文石
C₁	3.71	3.14	3.57	1.67	1.10	1.53
C₂	4.70	4.13	4.56	1.68	1.11	1.54
C₃	5.57	5.00	4.48	1.55	0.98	1.41
C₄	6.20	5.63	6.06	3.36	2.79	3.22

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