该文档属于类型a（单一原创研究报告），以下是针对该研究的学术报告：
一、研究团队与发表信息
本研究由Linjie Wei（西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室）、Yuanhua Lin（通讯作者，西南石油大学与长江大学双聘）等7位作者合作完成，发表于Journal of Polymer Research（2022年11月，卷29，文章编号525）。研究得到中国国家自然科学基金（52074232）和四川省科技计划（2022NSFSC0028）资助。
二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于油田化学与高分子材料交叉领域，聚焦于绿色阻垢剂（scale inhibitor）的开发与机理研究。
研究背景：
1. 油田结垢问题：油气开采中，因温度/压力变化或注入水与地层水化学不相容，导致管道表面形成碳酸钙（CaCO₃）等垢层，降低生产效率并引发安全隐患。
2. 传统阻垢剂的局限性：含磷/氮阻垢剂（如磷酸盐类）虽有效但易引发表层水体富营养化，不符合环保要求。
3. 环保阻垢剂的挑战：聚环氧琥珀酸（PESA）作为无磷氮阻垢剂虽可生物降解，但对Ca₃(PO₄)₂等垢抑制效果差，且其机理缺乏分子尺度解释。
研究目标：
通过衣康酸（IA）改性PESA，合成新型绿色阻垢剂PESA-IA，评估其CaCO₃抑制性能，并结合分子动力学模拟（MD）揭示阻垢机制。
三、研究流程与方法
1. 阻垢剂合成（Aqueous Solution Polymerization）
- 步骤：
- 单体配比：马来酸酐（MA）与IA摩尔比2:1，在pH=7、55℃下进行环氧化反应。
- 引发聚合：85℃下以过硫酸铵为引发剂，反应3小时，乙醇纯化后干燥。
- 表征：通过FT-IR确认结构，特征峰包括羧基（-COOH，3434 cm⁻¹）和醚键（1120 cm⁻¹），未见C=C键，证明IA成功接枝。
2. 静态阻垢性能测试
- 条件：参照中国石油行业标准（SY/T5673-93），模拟油田水环境（Ca²⁺ 3304.5 mg/L，HCO₃⁻ 5344 mg/L）。
- 变量：
- 温度（50–70℃）、浓度（20–100 mg/L）、盐含量（0–32 g/L NaCl）。
- 检测方法：EDTA滴定法测定Ca²⁺浓度，计算阻垢率（η）。
3. 垢样表征
- 技术：扫描电镜（SEM）和EDS能谱分析CaCO₃晶体形貌与成分。
- 对比组：无阻垢剂、添加PESA-IA、不同盐含量下的垢样。
4. 分子动力学模拟（MD）
- 模型构建：基于Materials Studio软件，COMPASSII力场，模拟PESA-IA与方解石（104）晶面的相互作用。
- 参数：
- 系统包含1个聚合物分子、200个水分子、Na⁺/Cl⁻离子，周期边界条件。
- 时间步长1 fs，总时长2000 ps，温度范围273–1098 K。
- 分析指标：结合能（Ebind）、径向分布函数（RDF）、系统状态随时间演变。
四、主要结果与逻辑关联
1. 阻垢性能
- 温度与浓度效应：50℃、100 mg/L时阻垢率达98.84%；70℃时效率下降，因高温促进CaCO₃沉淀。
- 盐含量效应：16 g/L NaCl时效率达峰值84.78%，比未改性PESA提升13.6%，过量盐会干扰聚合物与Ca²⁺螯合。
2. 垢样分析
- SEM结果：无阻垢剂时CaCO₃为规则六面体；添加PESA-IA后晶体变为松散多孔结构，伴生球霰石（vaterite），证实晶格畸变。
- EDS验证：高盐（32 g/L）下NaCl晶体附着于垢样表面，抑制效率下降。
3. MD模拟结果
- 结合能：323 K时Ebind=6.10 eV，363 K时降至4.15 eV，与实验高温效率下降一致。
- RDF分析：羧基氧（O）与Ca²⁰⁺间距2.37 Å，形成离子键；5–10 Å存在弱相互作用（范德华力/库仑力）。
- 动态过程：2000 ps时聚合物分子吸附于晶面，水分子在Z方向密度突变（18.506 Å），与方解石厚度（18.214 Å）吻合。
逻辑关联：合成→性能测试→机理表征→模拟验证，形成“结构-性能-机制”闭环。
五、结论与价值
科学价值：
1. 首次将MD模拟与实验结合，阐明PESA-IA通过羧基螯合Ca²⁺及晶面吸附双重机制抑制CaCO₃生长。
2. 提出盐含量对阻垢效率的非线性影响机制，为复杂水质应用提供理论依据。
应用价值：PESA-IA在50℃、100 mg/L条件下阻垢率近99%，且无磷氮污染，适用于高硬度、高盐度油田环境。
六、研究亮点
1. 方法创新：首次将COMPASSII力场用于PESA类聚合物与CaCO₃的相互作用模拟，开发了包含离子环境的溶液层模型。
2. 跨尺度验证：SEM观测的晶格畸变与MD模拟的晶面吸附相互印证，强化结论可靠性。
3. 环保性：IA生物发酵来源，全程无水相有毒副产物，符合绿色化学原则。
七、其他价值
- 数据可公开（需联系通讯作者），支持后续复现或复合阻垢剂开发。
- 作者建议未来研究PESA-IA与其他阻垢剂的复配效果，以应对更复杂油田环境。
（报告总字数：约1800字）