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作者及机构
本研究的通讯作者为Changjun Li（西南石油大学石油与天然气工程学院）、Chaoyi Zhang（同单位）及Wuping Zhang（华东理工大学化学工程学院），合作单位包括中国石油天然气集团公司（CNPC）油气储运重点实验室。研究成果发表于2019年《Scientific Reports》期刊（Volume 9, Article 13366），DOI编号为10.1038/s41598-019-50012-7。

学术背景

研究领域与动机
该研究属于工业水处理与结晶化学交叉领域，聚焦于CaCO₃垢抑制剂（scale inhibitors）的作用机制。天然气田采出水中富含Ca²⁺和HCO₃⁻，易在管道中形成CaCO₃垢，导致设备效率下降。传统磷系抑制剂存在环境风险，因此研究团队选取四种非磷聚合物抑制剂——聚丙烯酸（PAA）、水解聚马来酸酐（HPMA）、聚环氧琥珀酸（PESA）和聚天冬氨酸（PASP），通过实验与模拟揭示其抑制CaCO₃形成与晶体生长的分子机制。

科学问题
既往研究多关注抑制效果的表征，但对能量相互作用与化学键本质的机制阐释不足。本研究旨在通过分子动力学模拟（MD）与密度泛函理论（DFT）计算，量化抑制剂与Ca²⁺及CaCO₃晶体表面的相互作用能，阐明抑制效果的差异根源。

研究流程与方法

1. 实验设计

研究对象与样本
- 抑制剂溶液：PAA、HPMA、PESA、PASP（浓度10 mg/L，山东凯瑞公司提供）。
- 模拟体系：CaCl₂与NaHCO₃溶液（浓度0.933 g/L与0.959 g/L，模拟采出水离子条件）。

实验分组
- 抑制CaCO₃形成实验：测量溶液中游离Ca²⁺浓度（离子色谱仪ICS-5000），评估抑制剂阻止CaCO₃沉淀的能力。
- 抑制晶体生长实验：通过扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和激光粒度分析仪（Hydro2000）表征晶体形貌与粒径分布。

关键参数
- 温度51°C、pH 6.6–6.8（模拟现场工况）。
- 每组实验重复3次以控制误差（相对标准偏差RSD%）。

2. 分子模拟与计算

模型构建
- Ca²⁺相互作用模型：1个抑制剂分子+1个Ca²⁺+20个水分子（Materials Studio 7.0软件构建）。
- CaCO₃（104）晶面吸附模型：切割晶体表面（尺寸8.09 Å × 9.98 Å × 37.91 Å），固定Ca/C原子以模拟真实吸附环境。

模拟方法
- 分子动力学（MD）：COMPASS力场，NVT系综（324 K，2000万步），计算相互作用能（δE）。
- DFT计算：采用PBE泛函分析化学键数量、键长及Mulliken布居值（解释吸附能差异）。

主要结果

1. 实验数据

• 抑制CaCO₃形成效果：PESA最佳（溶液中Ca²⁺浓度320.08 mg/L），顺序为PESA > PASP > HPMA > PAA。
  
• 抑制晶体生长效果：PESA显著减小晶体粒径（平均体积7.515 μm³），破坏方解石规则形貌（SEM显示短针状结构），顺序为PESA > HPMA > PASP > PAA。
  

2. 模拟与计算

• 相互作用能（δE）：PESA与Ca²⁺的δE最低（-95.455 kcal/mol），表明其结合最稳定；与CaCO₃（104）面的δE为-87.158 kcal/mol，显著低于其他抑制剂。
  
• 化学键分析：PESA与Ca²⁺形成4个Ca-O键（Mulliken布居值0.03–0.10），且与晶面形成5个键（2个O-H键+3个Ca-O键），键数量与强度均占优。
  

逻辑关联
实验数据与模拟结果一致：更多化学键→更低相互作用能→更高抑制效果，证实PESA的优异性能源于其多活性位点与强吸附能力。

结论与价值

科学意义
- 首次通过MD/DFT揭示了非磷抑制剂的原子级作用机制，提出“键数量-吸附能-抑制效果”的定量关系模型。
- 证实PESA的羧基富集结构是其高效性的关键，为设计新型环保抑制剂提供理论依据。

应用价值
- 指导天然气田选择最优抑制剂（如优先使用PESA），降低管道结垢风险。
- 方法学可推广至其他垢类（如CaSO₄、BaSO₄）的抑制剂筛选。

研究亮点

1. 多尺度方法创新：结合实验（宏观表征）、MD（介观模拟）与DFT（微观计算），全面解析抑制机制。
   
2. 环境友好导向：聚焦非磷抑制剂，契合工业水处理的绿色化趋势。
   
3. 高精度数据：三次重复实验的RSD%，模拟参数严格校准（如COMPASS力场适用于无机/有机界面）。
   

其他发现

• 晶体生长动力学：抑制剂吸附导致CaCO₃（104）晶面生长速率下降，晶体稳定性减弱（XRD峰强度降低）。
  
• 温度/pH适用性：51°C与近中性条件下结论可靠，但极端环境（如高温高pH）需进一步验证。
  

（全文约2000字）