《绿色阻垢剂研究进展：一篇小型综述》学术报告

作者及机构
本文由Jianqi Xu（东北石油大学化学化工学院油气田应用化学黑龙江省重点实验室）、Guolin Jing（通讯作者，同单位）、Tie Liu（大庆中蓝石化有限公司）、Yang Liu（东北石油大学）、Liang Yanheng（西安长庆石化公司）及Yihai Yang（东北石油大学）共同完成，发表于《Petroleum Science and Technology》2022年第40卷第1期（59-72页），DOI: 10.¹⁰⁸⁰⁄_10916466.2021.1986525。

研究主题与背景
本文系统综述了绿色阻垢剂（green scale inhibitors）在油田领域的最新研究进展。传统含磷阻垢剂（如磷酸盐、膦酸盐）虽高效，但会引发水体富营养化问题。随着环保法规趋严，开发可生物降解、无磷的绿色阻垢剂成为研究热点。本文聚焦四类绿色阻垢剂：聚天冬氨酸（PASP）、聚环氧琥珀酸（PESA）、天然植物提取物及其衍生物、碳纳米材料，并分析其合成方法、作用机制及应用性能。

主要观点与论据

1. 绿色阻垢剂的必要性

油田结垢（如CaCO₃、CaSO₄、BaSO₄）是流动保障的核心问题，传统磷系阻垢剂（如HEDP）在低浓度（<20 mg/L）下即可有效抑制垢的形成，但其磷成分会促进水体富营养化。例如，Reddy和Nancollas（1973）的研究表明，膦酸盐通过干扰CaCO₃晶体生长实现阻垢，但磷排放限值日益严格（Macedo等，2019）。因此，开发兼具生物相容性、高溶解性和低成本的新型阻垢剂迫在眉睫。

2. 聚天冬氨酸（PASP）与聚环氧琥珀酸（PESA）的改性进展

合成方法：
- PASP通过天冬氨酸单体热缩聚或马来酸铵聚合制得，分子量范围为1,000至数十万（Liu等，2013）。
- PESA以马来酸酐为原料，经环氧化和阴离子聚合合成（Zhang等，2015）。两者在28天内自然降解率分别超过60%和90%。

改性策略：
- 开环改性：如Chen等（2014）将丝氨酸（Ser）引入PASP主链，合成的Ser-PASP在4 mg/L时对CaCO₃阻垢率达100%，22 mg/L时对Ca₃(PO₄)₂和CaSO₄接近完全抑制（图2显示晶体形貌从规则方解石变为松散文石）。
- 共聚改性：Zhang等（2016）将尿素接枝到PASP上，引入酰氨基团（—CONH—），其N原子的孤对电子增强了对Ca²⁰的螯合能力，在10 mg/L下对CaCO₃、CaSO₄和Ca₃(PO₄)₂的抑制率分别达93%、97%和100%。

局限性：均聚物PASP/PESA的剂量需求高于磷系阻垢剂，且高温下稳定性不足。

3. 天然植物提取物的应用潜力

天然分子（如单宁酸、淀粉、姜黄素）因含羟基、羧基等活性基团，具有螯合和分散作用：
- 姜黄素衍生物：Nayunigari等（2016）以姜黄素和苹果酸合成的聚姜黄素-苹果酸，在10 mg/L时对CaSO₄抑制率达95%。
- 葵花籽提取物：Abd-El-Khalek等（2019）发现其富含氨基酸和酚类，在20 ppm时对CaSO₄抑制率100%，但对BaSO₄需150 ppm才达83%效果，逊于HEDP（5 ppm即83%）。
- 淀粉接枝物：Yu等（2018）设计的淀粉-聚丙烯酸（St-g-PAA）通过缩短支链长度提升性能，40 mg/L时对CaCO₃抑制率94%，且使晶体形态从方解石转变为文石（图3）。

缺点：天然提取物存在剂量大、成本高、性质不稳定等问题。

4. 碳纳米材料的创新应用

碳纳米颗粒（20 nm）、碳量子点（CQDs）等因尺寸效应和表面功能化成为新兴阻垢剂：
- 碳纳米颗粒：Wan等（2019）研究表明，100 mg/L的碳纳米颗粒可使CaCO₃抑制率达97%，晶体形态从方解石变为文石（图4）。
- 碳量子点：Hao等（2019）以柠檬酸热解法制备的羧基化CQDs（CCQDs）通过吸附微晶并增强粒子间斥力抑制CaSO₄/BaSO₄（图5）。其机制包括：①羧基阴离子螯合Ca²⁰；②空间位阻阻碍晶体聚集。

研究意义与未来方向

科学价值：
1. 系统总结了绿色阻垢剂的合成-结构-性能关系，提出功能基团（—COOH、—SO₃H、—NH₂）的协同效应是提升性能的关键（Li等，2017）。
2. 揭示了晶体畸变（crystal distortion）和阈值效应（threshold effect）的分子机制，为设计高效抑制剂提供理论依据。

应用前景：
- 改性PASP/PESA可复配磷系阻垢剂，降低磷排放；
- 天然提取物需优化提取工艺以降低成本；
- 碳纳米材料需探索规模化制备方法。

未来建议：
1. 优化聚合物空间结构，引入强亲水基团（如磺酸基）提升溶解性；
2. 开发植物提取物的阈值效应配方；
3. 研究碳纳米载体负载其他阻垢剂的协同机制。

亮点总结
1. 首次对比了四类绿色阻垢剂的性能差异，指出碳纳米材料在长效性和环境友好性上的优势；
2. 提出“功能基团极性-空间位阻”协同设计策略（如Zhang等，2017的酪氨酸-色氨酸改性PASP）；
3. 强调降解率（如PESA 28天>90%）是评价绿色性的核心指标。

（注：文中图表及参考文献索引详见原文献）