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工业循环水系统中天然阻垢剂的研究进展

期刊:journal of water chemistry and technologyDOI:10.3103/s1063455x21060102

《Journal of Water Chemistry and Technology》2021年第43卷第6期刊载了由Xinyu Guo、Jaspe Sumalangcay Christsam Joy、Yamin Cheng(通讯作者)、Xiaowei Zhao、Zongyang Liu和Ying Xu(共同通讯作者)合作完成的综述论文《Natural Waterscale Inhibitors for Industrial Circulating Water Systems: A Review》。该研究团队来自河南大学化学化工学院(中国开封)与菲律宾中央大学教育学院,研究得到中国国家自然科学基金(21571188)、开封市科技发展计划(ZD17005)及河南大学“双一流”学科项目(2018YLZDCG02)支持。

研究背景与主题

工业循环冷却水占全球淡水消耗量的重要比例,但长期运行会导致难溶盐(如CaCO₃、CaSO₄)沉积形成水垢(scale),引发管道堵塞、热交换效率下降等问题。传统阻垢剂(scale inhibitor)如含磷化合物虽效果显著,但存在水体富营养化等环境风险。本文系统综述了天然阻垢剂(多糖类、植物提取物)与合成阻垢剂(聚羧酸、聚天冬氨酸等)的研究进展,强调绿色化学导向下高效、可降解阻垢剂的开发必要性。

主要观点与论据

1. 天然阻垢剂的分类与优势

天然阻垢剂分为天然有机阻垢剂(如改性淀粉、菊粉、壳聚糖)和植物提取物阻垢剂两类。其核心优势在于:
- 环境友好性:可生物降解,符合绿色化学原则(green chemistry)。例如,羧甲基菊粉(carboxymethyl inulin, CMI)通过羧基与Ca²⁺结合,抑制CaCO₃晶体生长(Verraest et al., 1996)。
- 低成本与广来源:淀粉经氧化、醚化或接枝共聚改性后,阻垢率可达96.13%(Guo et al., 2013);植物提取物(如橄榄叶、石竹草)在50 mg/L浓度下即可显著抑制垢层形成(Abdel-Gaber et al., 2011)。
- 局限性:天然阻垢剂水溶性差、耐受性低(如壳聚糖仅溶于稀酸),需通过化学修饰(如季铵化、接枝共聚)改善性能。

2. 合成阻垢剂的性能与挑战

合成阻垢剂主要包括含磷阻垢剂(如ATMP、HEDP)和环保型聚合物(如聚天冬氨酸PASP、聚环氧琥珀酸PESA):
- 高效性:含磷阻垢剂通过阈值效应(threshold effect)和晶格畸变(lattice distortion)抑制垢层,ATMP在48 μM浓度下对CaCO₃阻垢率达90%(Ji et al., 2017)。
- 环境风险:磷化合物易导致水体富营养化,而PASP等绿色阻垢剂可生物降解,其组氨酸接枝衍生物(His-PASP)能将CaCO₃晶体从方解石(calcite)转化为不稳定的球霰石(vaterite)(Chen et al., 2019)。
- 技术瓶颈:合成阻垢剂需高剂量(增加环境负荷),且对金属离子的作用机制尚不明确。

3. 阻垢机理的多维度解析

论文归纳了四种阻垢机制:
- 阈值效应:阻垢剂低浓度下即可干扰成核过程。
- 晶格畸变:抑制剂吸附于晶体活性位点(如CMI通过分子动力学模拟证实与方解石(104)晶面结合,Zhang et al., 2016)。
- 分散作用:阴离子纤维素纳米晶(ENCC)通过静电稳定作用分散Ca²⁺(Sheikhi et al., 2018)。
- 协同效应:复合配方可提升性能(如淀粉-丙烯酸接枝共聚物通过增加支链分布提高阻垢率,Yu et al., 2018)。

4. 未来研究方向

作者提出以下关键挑战:
- 绿色阻垢剂设计:需平衡高效性、易制备性与环境兼容性。
- 机理深化:通过分子模拟(如Monte Carlo模拟黄原胶吸附能,Elkholy et al., 2018)和原位表征技术揭示抑制剂-金属离子相互作用。
- 复合技术开发:天然/合成阻垢剂复配可能突破单一性能局限。

论文价值与意义

本综述为工业水处理领域提供了系统性技术路线图:
1. 学术价值:整合了天然与合成阻垢剂的改性策略、机理模型及评价方法,填补了绿色阻垢剂研究的技术空白。
2. 应用前景:针对高硬度水质,提出“低剂量-高耐受”阻垢剂的开发方向,对石化、海水淡化等行业具有指导意义。
3. 方法论创新:强调多尺度模拟(分子动力学、Monte Carlo)与实验验证的结合,为后续研究提供范式。

亮点总结

  • 全面性:涵盖20余种阻垢剂的性能对比(如表1所示),指出天然阻垢剂的改性潜力与合成阻垢剂的环保瓶颈。
  • 前瞻性:首次提出“离子扩散-晶体稳定化”机制(ENCC掺杂膜技术),为膜法水处理提供新思路。
  • 跨学科融合:结合材料化学、计算模拟与环境工程,推动阻垢技术从经验导向转向理论设计。

该综述不仅为学术界提供了深入的技术参考,也为工业界筛选阻垢方案奠定了科学基础。

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